Definisi Kalor
Peristiwa yang melibatkan kalor sering kita
jumpai dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya, pada waktu memasak air dengan
menggunakan kompor. Air yang semula dingin lama kelamaan menjadi panas. Mengapa
air menjadi panas? Air menjadi panas karena mendapat kalor, kalor yang
diberikan pada air mengakibatkan suhu air naik. Dari manakah kalor itu? Kalor
berasal dari bahan bakar, dalam hal ini terjadi perubahan energi kimia yang
terkandung dalam gas menjadi energi panas atau kalor yang dapat memanaskan air.
Sebelum abad ke-17, orang berpendapat bahwa kalor merupakan zat yang mengalir dari suatu benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah jika kedua benda tersebut bersentuhan atau bercampur. Jika kalor merupakan suatu zat tentunya akan memiliki massa dan ternyata benda yang dipanaskan massanya tidak bertambah. Kalor bukan zat tetapi kalor adalah suatu bentuk energi dan merupakan suatu besaran yang dilambangkan Q dengan satuan joule (J), sedang satuan lainnya adalah kalori (kal). Hubungan satuan joule dan kalori adalah:
1 kalori = 4,2 joule
1 joule = 0,24 kalori
Kalor dapat Mengubah Suhu Benda
Apa yang terjadi apabila dua zat cair yang
berbeda suhunya dicampur menjadi satu? Bagaimana hubungan antara kalor terhadap
perubahan suhu suatu zat? Adakah hubungan antara kalor yang diterima dan kalor
yang dilepaskan oleh suatu zat? Semua benda dapat melepas dan menerima kalor.
Benda-benda yang bersuhu lebih tinggi dari lingkungannya akan cenderung
melepaskan kalor. Demikian juga sebaliknya benda-benda yang bersuhu lebih
rendah dari lingkungannya akan cenderung menerima kalor untuk menstabilkan
kondisi dengan lingkungan di sekitarnya. Suhu zat akan berubah ketika zat
tersebut melepas atau menerima kalor. Dengan demikian, dapat diambil kesimpulan
bahwa kalor dapat mengubah suhu suatu benda.
Kalor jenis suatu zat adalah banyaknya kalor yang yang diperlukan oleh suatu zat bermassa 1 kg untuk menaikkan suhu 1 °C. Sebagai contoh, kalor jenis air 4.200 J/kg °C, artinya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 °C adalah 4.200 J. Kalor jenis suatu zat dapat diukur dengan alat kalorimeter.
Tabel beberapa kalor jenis zat
Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan
atau menurunkan suhu suatu benda bergantung pada:
- massa benda (m)
- jenis benda / kalor jenis benda (c)
- perubahan suhu (Δt )
Oleh karena itu, hubungan banyaknya kalor,
massa zat, kalor jenis zat, dan perubahan suhu zat dapat dinyatakan dalam
persamaan.
Keterangan:
Q = Banyaknya kalor yang diserap atau dilepaskan
(joule)
m = Massa zat (kg)
c = Kalor jenis zat (joule/kg °C)
Δt = Perubahan suhu (°C)
Kalor dapat Mengubah Wujud Zat
Suatu zat apabila diberi kalor terus-menerus
dan mencapai suhu maksimum, maka zat akan mengalami perubahan wujud. Peristiwa
ini juga berlaku jika suatu zat melepaskan kalor terus-menerus dan mencapai
suhu minimumnya. Oleh karena itu, selain kalor dapat digunakan untuk mengubah
suhu zat, juga dapat digunakan untuk mengubah wujud zat. Perubahan wujud suatu
zat akibat pengaruh kalor dapat digambarkan dalam skema berikut.
Keterangan:
1 = mencair/melebur
1 = mencair/melebur
2 = membeku
3 = menguap
4 = mengembun
5 = menyublim
6 = mengkristal
Menguap (terjadi perubahan suhu)
Apakah pada waktu zat menguap memerlukan kalor?
Dari manakah kalor itu diperoleh? pada waktu air dipanaskan akan tampak uap
keluar dari permukaan air. Kenyataan ini menunjukkan bahwa pada waktu menguap
zat memerlukan kalor. Jika air dipanaskan terus-menerus, lama-kelamaan air
tersebut akan habis. Habisnya air akibat berubah wujud menjadi uap atau gas.
Peristiwa ini disebut menguap, yaitu perubahan wujud dari cair ke gas, karena
molekul-molekul zat cair bergerak meninggalkan permukaan zat cairnya. Pada
peristiwa menguap terjadi perubahan suhu, oleh karena itu berlaku:
Sama halnya pada peristiwa membeku, melebur,
dan mengembun.
Mendidih (tidak mengalami perubahan suhu, namun terjadi perubahan wujud)
Mendidih adalah peristiwa penguapan zat cair yang terjadi di seluruh bagian zat cair tersebut. Peristiwa ini dapat dilihat dengan munculnya gelembung-gelembung yang berisi uap air dan bergerak dari bawah ke atas dalam zat cair. Zat cair yang mendidih jika dipanaskan terus-menerus akan berubah menjadi uap. Banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat cair menjadi uap seluruhnya pada titik didihnya disebut kalor uap (U). Karena tidak terjadi perubahan suhu, maka besarnya kalor uap dapat dirumuskan
Keterangan:
Q = kalor yang diserap/dilepaskan (joule)
m = massa zat (kg)
U = kalor uap (joule/kg)
Tabel beberapa kalor uap zat
Jika uap didinginkan akan berubah bentuk menjadi zat cair, yang disebut mengembun. Pada waktu mengembun zat melepaskan kalor, banyaknya kalor yang dilepaskan pada waktu mengembun sama dengan banyaknya kalor yang diperlukan waktu menguap dan suhu di mana zat mulai mengembun sama dengan suhu di mana zat mulai menguap.
Kapasitas Kalor
Air satu panci ketika dimasak hingga mendidih
memerlukan kalor tertentu. Kalor yang dibutuhkan 1 panci air agar suhunya naik
1° C disebut kapasitas kalor. Kapasitas kalor sebenarnya banyaknya energi yang
diberikan dalam bentuk kalor untuk menaikkan suhu benda sebesar satu derajat.
Pada sistem SI, satuan kapasitas kalor adalah JK-1. Namun, karena di Indonesia suhu
biasa dinyatakan dalam skala Celsius, maka satuan kapasitas kalor yang dipakai
dalam buku ini adalah J/°C. Kapasitas kalor dapat dirumuskan sebagai berikut.
Q = C × DT
Keterangan:
Q : kalor yang diserap/dilepas (J)
C : kapasitas kalor benda (J/°C)
DT : perubahan suhu benda (° C)
Jika persamaan kapasitas kalor dibandingkan dengan
persamaan kalor
jenis, maka Anda dapatkan persamaan sebagai berikut.
C = m × c
Keterangan:
C : kapasitas kalor benda (J/°C)
m : massa benda (kg)
c : kalor jenis benda (J/kg °C)
Sepotong besi yang memiliki massa 3 kg, dipanaskan dari
suhu 20° C hingga 120° C. Jika kalor yang diserap besi sebesar 135 kJ. Tentukan
kapasitas kalor besi dan kalor jenis besi?
Diketahui :
a. m = 3 kg
b. DT = 120° – 20° = 100° C
c. Q = 135 kJ
Asas Black
Anda ketahui bahwa kalor berpindah dari satu benda yang
bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Perpindahan ini mengakibatkan terbentuknya
suhu akhir yang sama antara kedua benda tersebut. Pernahkah Anda membuat susu
atau kopi? Sewaktu susu diberi air panas, kalor akan menyebar ke seluruh cairan
susu yang dingin, sehingga susu terasa hangat. Suhu akhir setelah percampuran
antara susu dengan air panas disebut suhu termal (keseimbangan).
Kalor yang dilepaskan air panas akan sama besarnya
dengan kalor yang diterima susu yang dingin. Kalor merupakan energi yang dapat berpindah,
prinsip ini merupakan prinsip hukum kekekalan energi. Hukum kekekalan energi di
rumuskan pertama kali oleh Joseph Black (1728 – 1899). Oleh karena itu,
pernyataan tersebut juga di kenal sebagai asas Black. Joseph Black merumuskan
perpindahan kalor antara dua benda yang membentuk suhu termal sebagai berikut.
Qlepas = Qterima
Keterangan:
Qlepas : besar kalor yang diberikan (J)
Qterima : besar kalor yang diterima (J)
Air sebanyak 0,5 kg yang bersuhu 100° C di tuangkan ke
dalam bejana dari aluminium yang memiliki massa 0,5 kg. Jika suhu awal bejana
sebesar 25° C, kalor jenis aluminium 900 J/kg °C, dan kalor jenis air 4.200
J/kg °C, maka tentukan suhu kesetimbangan yang tercapai! (anggap tidak ada
kalor yang mengalir ke lingkungan)
Contoh :
Diketahui :
a. mbjn = 0,5 kg
b. mair = 0,5 kg
c. Tair = 100° C
d. Tbjn = 25° C
e. cair = 4.200 J/kg °C
f. cbjn = 900 J/kg °C
Ditanyakan : Ttermal = ...?
Jawab :
Qdilepas = Qditerima
m × cair × DT air = m × cbjn × DT bjn
0,5 × 4.200 × (100 – Ttermal) = 0,5 × 900 × (Ttermal
– 25)
210.000 – 2.100 Ttermal = 450 Ttermal –
11.250
2.550 Ttermal = 222.250
Ttermal =
222.250
2550
= 87,156° C
Jadi,
suhu kesetimbangannya adalah 87,156° C.
B.
Perpindahan Kalor
Kalor
dapat berpindah karena adanya perbedaan suhu. Kalor pada suatu benda dapat berpindah
dari suatu benda yang suhunya tinggi ke benda lain yang suhunya rendah. Fenomena
perpindahan kalor ini dapat dengan mudah dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, misalnya
pada saat memasak, api yang mengenai bagian dasar panci akan menyebar ke seluruh
bagian permukaan panci dan bahan makanan yang ada di dalamnya. Contoh lainnya yaitu
kalor (panas) matahari yang sampai ke permukaan bumi. Berbicara mengenai
perpindahan kalor, maka kita mengenal setidaknya ada tiga cara terjadinya
perpindahan kalor, yaitu melalui cara konduksi, cara konveksi, dan cara
radiasi.
1.
Konduksi
Konduksi,
atau disebut juga hantaran, merupakan salah satu cara perpindahan kalor melalui
suatu perantara zat tanpa disertai perpindahan bagian-bagian dari zat itu.
Misalnya, ketika kita memanaskan logam pada salah satu ujungnya, maka lambat
laun ujung lainnya akan menjadi panas karena adanya perpindahan kalor melalui
logam tersebut. Contohnya, apabila seseorang memasak dengan menggunakan panci,
maka api dari kompor akan memanaskan bagian dasar panci terlebih dahulu sebelum
kemudian seluruh permukaan badan panci menjadi panas.
Kemampuan
zat atau benda dalam menghantarkan kalor juga berbeda-beda. Oleh
karena
itu, kemampuan benda-benda di alam dalam menghantarkan kalor dibedakan kedalam
dua kelompok: konduktor dan isolator. Konduktor adalah kelompok benda-benda yang
mudah menghantarkan kalor. Contoh konduktor adalah tembaga, besi, aluminium,
dan sejenisnya. Sedangkan isolator adalah kelompok benda-benda yang sukar
menghantarkan kalor. Contoh isolator adalah kayu, karet, plastik, dan
sejenisnya. Secara umum, bahanbahan yang terbuat dari logam umumnya merupakan
konduktor kalor, sedangkan bahanbahan yang terbuat dari non logam umumnya
merupakan isolator kalor.
2.
Konveksi
Konveksi
merupakan salah satu cara perpindahan kalor melalui suatu zat disertai oleh perpindahan
zat tersebut. Perpindahan kalor secara konveksi hanya terjadi pada zat cair dan
gas (fluida). Perpindahan kalor secara konveksi dinamakan juga aliran panas,
karena bagian bagian zat itu terus mengalir selama pemanasan. Misalnya,
perpindahan kalor melalui air yang dipanaskan. Ketika air dipanaskan, maka
bagian air yang panas akan berkurang massa jenisnya, sehingga akan naik ke
permukaan. Tempat air panas tersebut akan digantikan oleh air dingin yang juga
akan mengalami hal serupa dengan air panas sebelumnya. Proses seperti
ini
terus berulang hingga akhirnya seluruh bagian air menjadi panas. Perpindahan
panas secara konveksi juga terjadi pada udara, sehingga terjadi apa yang dinamakan
angin darat dan angin laut. Angin laut terjadi pada siang hari. Air lebih
lambat menyerap panas dari tanah, sehingga pada siang hari udara di atas lautan
lebih dingin daripada udara di atas daratan. Akibatnya massa jenis udara di
atas daratan lebih kecil. Oleh karenanya, udara di atas daratan akan naik dan
tempatnya digantikan oleh udara di atas lautan, sehingga terjadi aliran angin
dari laut ke darat yang dinamakan angin laut. Angin darat terjadi pada malam
hari. Udara di atas daratan lebih cepat dingin dibandingkan udara di atas lautan,
sehingga udara di atas lautan akan naik dan tempatnya diisi oleh udara di atas
daratan, dan terjadi aliran angin dari darat ke laut yang dinamakan angin
darat.
3.
Radiasi
Radiasi
atau pancaran merupakan cara perpindahan kalor tanpa perpindahan zat perantara.
Misalnya pancaran sinar matahari. Panas dari matahari dapat sampai ke bumi, walaupun
jarak antara bumi dan matahari sangat jauh dan diantara bumi dan matahari terdapat
ruang hampa.
Sifat
pancaran dari berbagai permukaan benda juga berbeda-beda. Beberapa jenis benda
tercatat ada yang mudah menyerap dan memancarkan radiasi kalor dan beberapa
jenis benda lainnya ada yang tidak mudah menyerap dan memancarkan radiasi
kalor. Berdasarkan sejumlah penyelidikan diketahui bahwa benda hitam lebih
mudah menyerap dan memancarkan kalor dibandingkan dengan benda selain hitam.
Oleh karena itu, apabila pada siang hari yang terik kita menggunakan pakaian
berwarna hitam, maka kita akan merasakan panas yang lebih dibandingkan apabila
kita menggunakan pakaian yang berwarna selain hitam.
