Kalor

a.Definisi
Kalor adalah salah satu bentuk energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah.
Didefinisikan sebagai jumlah kalor yang ketika diberikan pada 1 gram air akan menaikkan suhu air tersebut 1 derajat celsius.
Satuan dalam SI adalah joule dimana :
1 cal= 4,2 joule
1 joule=0,24 cal

b.Sifat
1.Kalor dapat mengubah suhu suatu benda

Benjamin Thompson yaitu ilmuwan asal Amerika tahun 1798 melakukan pengamatan dari 2 suhu yang dicampur menjadi 1 dan diberikan kesimpulan bahwa: jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah suhu suatu benda ditentukan oleh massa suatu zat (m), perubahan suhunya (Δt), dan kalor jenis zat (c) benda yang dipanaskan

Sehingga dapat dirumuskan:

Q= m x c x Δt

Ket:

Q = Jumlah kalor yang diperlukan unutk mengubah suhu suatu benda (joule) 

m = Massa benda (kg)

c = Kalor Jenis Zat (joule/kg °C)

Δt = perubahan suhu (°C)/ selisih suhu yaitu t₂ - t₁

Kalor jenis suatu zat adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1kg zat sebesar 1°C atau 1K

Kalor Jenis berbagai Zat

 

Zat	Kalor Jenis (J/Kg°C)
Udara	1000
Air	4200
Alkohol	2400
Raksa	140
Parafin	2200
Es	2100
Aluminium	900
Tembaga	390
Kaca	670
Besi	450
Emas	130
Perak	234

Ket: Semakin rendah kalor jenis suatu benda maka akan lebih cepat panas

Kalorimeter adalah alat untuk mengukur kalor.

Salah satu bentuknya adalah kalorimeter campuran

 

Pengaruh Kalor dalam kehidupan sehari - hari: pada daerah pantai

Kapasitas kalor: Jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1°C atau 1K

Dirumuskan:

Q = C x Δt

C = m x c

Ket:

Q = jumlah kalor (joule)

C = Kapasitas kalor (J/°C atau J/K)

m = Massa benda (kg)

c = Kalor jenis zat (joule/kg °C)

Δt = Perubahan suhu (°C)

 2. Kalor dapat mengubah wujud suatu benda 

  
Perbedaan mendidih dan menguap:
Mendidih : 100°C, seluruh permukaan, terdapat gelembung udara
Menguap : dibawah 100°C, permukaan tidak ada gelembung udara  

Menyerap kalor : endoterm
Melepas kalor : eksoterm 
Deposisi : perubahan wujud benda dari gas ke padat tanpa ada fase cair

Banyaknya kalor yang diserap atau yang dilepaskan (Q) dalam proses perubahan wujud benda dapat dinyatakan dengan rumus:

Q = m x L

Ket:

Q = Jumlah kalor (joule)

m = Massa benda (kg)

L = Kalor laten (Kalor lebur, kalor beku, kalor uap, kalor embun, kalor sublim, kalor kristal)(J/kg)

Kalor laten adalah kalor yang diserap atau yang dilepas pada saat terjadi perubahan wujud benda tidak menyebabkan perubahan suhu benda (suhu benda konstan)

Kalor laten beberapa zat

 

Kalor uap = kalor embun
Kalor didih = titik embun

c. Asas Black

 

Tahun 1799, Joseph Black, seorang ahli kimia berkebangsaan Inggris melakukan penyelidikan tentang pelepasan dan penerimaan kalor. Hasilnya adalah teori yang disebut Asas Black yang berbunyi: "besarnya kalor yang dilepaskan oleh suatu benda sama dengan besarnya kalor yang diterima oleh benda lain."
Dirumuskan:

Q_{lepas =} Q_terima
 m x c x Δt = m x c x Δt

Catatan:
Kalor jenis suatu benda tidak tergantung dari massa benda tetapi tergantung pada sifat dan jenis benda tersebut. 
Pada setiap penyelesaian soal Asas Black, lebih mudah jika dibuat diagram alirnya 

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis

• Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
• Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

Konverensi Energi Listrik menjadi Energi Kalor

Asas Black merupakan penerapan dari hukun Kekekalan Energi, yaitu jumlah seluruh energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi bida diubah atau dikonversi menjadi bentuk energi yang lain.
Contoh: Dispenser dan Water Hitter
Hubungan konversi energi listrik menjadi energi kalor dirumuskan:

W = Q
P x t = m x c x Δt

Keterangan:
W = energi listrik (joule)
Q = jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan (joule)
P = daya listrik (watt)
t = selang waktu pemakaian listrik (sekon)
m = massa benda (kg)
c = kalor jenis zat (joule/kg°C)  

Perpindahan Kalor

a. Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut.
 Merupakan perpindahan kalor secara merambat
Tidak memindahkan mediumnya / materi / partikel zat tsb
Berdasarkan kemampuan menghantarkan panas dibagi menjadi:
1. Konduktor
Zat yang memiliki kemampuan menghantarkan panas yang baik 
 Contoh : besi, baja, tembaga, aluminium, dll
2. Isolator
 Zat yang memiliki kemampuan menghantarkan panas yang buruk
 Contoh: Saat selesai menggunakan kompor dan apinya dimatikan, bagian atas kompor masih terasa panas 
 Contoh : kayu, plastik, kertas, kaca, air, dll

 Bagaimanakah perpindahan kalor secara konduksi? Lakukan kegiatan berikut!


Dalam kehidupan sehari-hari, dapat kamu jumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya memanfaatkan konsep perpindahan kalor secara konduksi, antara lain : setrika listrik, solder. Mengapa alat-alat rumah tangga seperti setrika, solder, panci, wajan terdapat pegangan dari bahan isolator? Hal ini bertujuan untuk menghambat konduksi panas supaya tidak sampai ke tangan kita.

b. Konveksi
Merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan zat tersebut
Biasanya terjadi pada zat cair
Terjadi karena perbedaan massa jenis zat
Dibagi menjadi beberapa jenis yaitu:
1. Alamiah
2. Paksaan
 Kamu dapat memahami peristiwa konveksi, antara lain:
1) Pada zat cair karena perbedaan massa jenis zat, misal sistem pemanasan air, sistem aliran air panas.
2) Pada zat gas karena perbedaan tekanan udara, misal terjadinya angin darat dan angin laut, sistem ventilasi udara, untuk mendapatkan udara yang lebih dingin dalam ruangan dipasang AC atau kipas angin, dan cerobong asap pabrik.


Agar kamu lebih dapat memahami konveksi, lakukan kegiatan berikut!



Dari kegiatan yang kamu lakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa, aliran di dalam gelas disebabkan karena perbedaan massa jenis zat. Air yang menyentuh bagian bawah gelas kimia tersebut dipanasi dengan cara konduksi. Akibat air menerima kalor, maka air akan memuai dan menjadi kurang rapat. Air yang lebih rapat pada bagian atas itu turun mendorong air panas menuju ke atas. Gerakan ini menimbulkan arus kon-veksi. Pada bagian zat cair yang dipanaskan akan memiliki massa  jenis menurun sehingga mengalir naik ke atas. Pada bagian tepi zat cair yang dipanaskan konveksi yang terjadi seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Pada bagian tengah zat cair yang dipanaskan, konveksi yang terjadi seperti ditunjukkan pada gambar berikut.


Dari kegiatan yang kamu lakukan terlihat bahwa asap turun di dalam cerobong yang tidak dipanaskan. Pada cerobong yang dipanaskan tekanan udara kecil sehingga asap akan bergerak naik ke atas. Aliran udara yang terlihat itulah yang menunjukkan konveksi pada zat gas. Tahukah kamu mengapa cerobong asap pabrik di buat tinggi? Coba kamu cari tahu alasannya! Angin laut dan angin darat merupakan contoh peristiwa alam yang melibatkan arus konveksi pada zat gas. Tahukah kamu bagaimana terjadinya angin laut dan angin darat? Coba perhatikan gambar di bawah ini!

Pada siang hari daratan lebih cepat panas daripada lautan. Hal ini mengakibatkan udara panas di daratan akan naik dan tempat tersebut diisi oleh udara dingin dari permukaan laut, sehingga terjadi gerakan udara dari laut menuju ke darat yang biasa disebut angin laut. Angin laut terjadi pada siang hari, biasa digunakan oleh nelayan tradisional untuk pulang ke daratan. 

Bagaimanakah angin darat terjadi?

Pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada lautan. Hal ini mengakibatkan udara panas di permukaan air laut akan naik dan tempat tersebut diisi oleh udara dingin dari daratan, sehingga terjadi gerakan udara dari darat menuju ke laut yang biasa disebut angin darat. Angin darat terjadi pada malam hari, biasa digunakan oleh nelayan tradisional untuk melaut mencari ikan.


c. Radiasi
Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara.
 Merupakan perpindahan kalor secara pancaran
Contoh: 

Rasa hangat saat dekat dengan api unggun










cahaya matahari, gelombang elektromaknetik (inframerah)

  



Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi kalor atau energi pancaran kalor disebut termoskop. Termoskop terdiri dari dua buah bola kaca yang dihubungkan dengan pipa U berisi air alkohol yang diberi pewarna. Perhatikan gambar









 

Salah satu bola lampu dicat hitam, sedangkan yang lain dicat putih. Apabila pancaran kalor mengenai bola A, hal ini mengakibatkan tekanan gas pada bola A menjadi besar. Hal ini mengakibatkan turunnya permukaan zat cair yang ada di bawahnya. Bagaimanakah sifat radiasi dari berbagai permukaan? Sifat radiasi berbagai permukaan dapat diselidiki dengan menggunakan alat termoskop diferensial. Alat yang digunakan untuk menyelidiki sifat radiasi berbagai permukaan disebut termoskop diferensial. Kedua bola lampu dicat dengan warna yang sama, tetapi di antara bola tersebut diletakkan bejana kubus yang salah satu sisinya permukaannya hitam kusam dan sisi lainnya mengkilap. Jika bejana kubus diisi dengan air panas, akan terlihat permukaan alkohol di bawah bola B turun.  Perbedaan ini disebabkan karena kalor yang diserap bola B lebih besar daripada bola A. Dari hasil pengamatan yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa:
1) Permukaan benda hitam, kusam, dan kasar merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik.
2) Permukaan benda putih, mengkilap dan halus merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk

Contoh Soal

1. Berapa panas yang dilepaskan jika 50 gr besi (c = 460 J/kg K) turun suhunya dari 100°C menjadi 20°C?

Penyelesaian:
Diketahui: m = 50gr = 0,05 kg
               c = 460 J/kg K
               Δt = 100°C - 20°C = 80°C

Ditanya: Q = ?

Jawab: Q = m . c. Δt
           Q = 0,05 kg . 460 J/kg K. 80°C = 1840 joule 

2. Aluminium dengan massa 0,1 kg suhunya mula - mula 10°C. Jika diketahui kalor jenis alumunium 900 joule/kg°C, berapakah suhu akhir yang dihasilkan jika diberi kalor sebesar 8.100 joule?

Penyelesaian:
Diketahui: m = 0,1 kg
               c = 900 joule/kg°C
               Q = 8.100 joule

Ditanya: suhu akhir = ? 

Jawab = Q = m . c. Δt
            8.100 joule = 0,1 kg. 900 joule/kg°C. Δt
            Δt = 8.100joule : 90 joule/kg°C
            Δt = 90°C
            Jadi, suhu akhir yang dihasilkan: 90°C + 10°C = 100°C

3. Untuk menaikkan suhu 500 gr tembaga dari 10°C menjadi 110°C diperlukan kalor 20.000 joule. Berapakah kalor jenis tembaga?

Penyelesaian:
Diketahui: Q = 20.000 joule
               m = 500 gr = 0.5 kg
               Δt = 110°C - 10°C = 100°C

Ditanya: c = ?

Jawab: Q = m . c. Δt
           20.000 joule = 0.5 kg. c. 100°C
           c = 20.000 joule : (0.5 kg. 100°C)
           c = 400 joule/kg°C

4. Suatu kalorimeter berisi es dengan kalor jenis es =0,5 kal/(gK), kalor lebur es=80 kal/g sebanyak 36 gram pada suhu –6^oC. Kapasitias kalor kalorimeter ialah 27 kal/K. Kemudian ke dalam kalorimeter dituangkan alkohol (kalor jenis 0,58 kal/(gK) pada suhu 50^oC yang menyebabkan suhu akhir menjadi 8^oC. Maka massa alkohol yang dituangkan adalah …(gram).

Jawab:

Untuk memahami soal di atas akan lebih mudah jika dibuat grafik Q-T:

Q4 adalah kalor yang diserap oleh kalorimeter. Sesuai azas Black penyelesaian menjadi:

                                                Q₁ + Q₂+ Q₃+Q₄ = Q₅

m_es.c_es.(0-(-6)) + m_es.L_es+ m_air.c_air.(8-0)+ H. (8-(-6)) = m_alkohol.c_alkohol.(50-8) 

                 35 x 0,5 x 6 + 36 x 80 + 36 x 1 x 8 + 27 x 4 = m_alkoholx 0,58 x 42

                                              108 + 2880 + 288 + 378 = 24,36 m_alkohol

                                                                    m_alkohol = 3654/24,36

                                                                                 = 150 gram

5. Dalam botol termos terdapat 230 gram kopi pada suhu 90^oC. Ke dalam botol tersebut ditambahkan suhu sebanyak 20 gram bersuhu 5^oC. Berapakah suhu campuran? (jika tidak ada kalor kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos. c_air = c_kopi = c_susu = 1 kal/g^oC)

a. 5^oC
b. 20^oC
c. 47^oC
d. 83^oC
e. 90^oC

(UMPTN 1998)

Jawab:
    Soal tersebut adalah tentang penerapan azas Black.

Cara I:

dalam kasus di atas yang menyerap kalor adalah susu, sedang yang melepas adalah kopi. Jadi untuk menghitung suhu campuran, adalah:
m_susu.c_susu(T_c – 5) = m_kopi.c_kopi(90-T_c)
            20 (T_c – 5) = 230 (90-T_c)
                   25 T_c = 2080
                        T_c = 83,2^oC
Jadi suhu campuran kopi dan susu (T_c) adalah 83,2^oC atau dibulatkan 83^oC (d)

Cara II:
Selain cara di atas kita juga bisa menentukan suhu campuran dengan cara berikut:

6. Sebuah alat pemanas listrik yang menghasilkan daya 0,9 KW digunakan untuk menguapkan air. Berapakah banyaknya air dari 100°C  dapat diubah menjadi uap oleh alat pemanas tersebut dalam waktu 5 menit? (L_{u = 35 x 10}⁶ J/kg)

Penyelesaian:
Diketahui: P = 0,9 KW = 900 watt
               t = 5 menit = 300 detik

               L = 3 x 10⁶ J/kg

Ditanya: m = ?

Jawab: Q_uap = W

            m x L = P x t 
            m = P x t / L
            m = 900 watt x 300 det / 3 x 10⁶ J/kg
            m = 0,09 kg = 90 gram

 
 

Latihan Soal

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan
a. Kalor jenis
b. Kalor Laten
c. Kapasitas Kalor

2. 44 KJ dilepaskan untuk mendinginkan 0,8 kg aluminium yang kalor jenisnya 1,1 J/gr°C. Berapakah penurunan suhu aluminium tsb?

3. Berapa kalori banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 20 gr es dari 0°C menjadi air 10°C   jika  kalor lebur es 80 Cal/gr dan kalor jenis air 1 Cal/gr°C

4. Kalor jenis aluminium 1100 joule/kg°C. Berapakah kapasitas kalor 5 kg aluminium?

5. Kalor jenis tembaga 400 joule/kg°C. Berapakah kapasitas kalor 10 gr tembaga?  

 6. Air bermassa 500 gram mengalami penurunan suhu dari D menjadi C. Jika kalor jenis air 4200J/kg°C, tentukan jumlah kalor yang dilepaskan oleh air, nyatakan dalam satuan kilojoule!

Diketahui:
Kalor lebur es = 34.10⁴ J/Kg
Kalor uap air = 22.10⁵ J/Kg
Kalor jenis es = 2090 J/Kg K
Kalor jenis air = 4200 J/Kg K
Kalor jenis uap air = 2010 J/Kg K

7. Air panas 80°C sebanyak 50 gr dicampur dengan 25 gr air bersuhu 40°C. Tentukan suhu akhir campuran

8. Kalorimeter dengan massa 55 gr (c = 400 J/kg) berisi 250 gr air pada suhu 18°C. Ketika 75 gr logam pada 100°C dimasukkan kedalam kalorimeter suhu akhirnya adalah 25°C. Berapakah aklor jenis logam tersebut?

9. Hitung suhu kesetimbangan ketika 1 Kg es 0°C dicampur dengan 9 Kg air pada 50°C

10. Di dalam sebuah kalorimeter yang kapasitas kalornya 210 J/K terdapat  100 gr alkohol ( c = 2400 J/Kg K). Berapa banyak timah putih (c = 210 J/kg K) harus dimasukkan dalam kalorimeter adar suhu kalorimeter naik setinggi 10°C?
Suhu mula - mula alkohol 15°C dan suhu timah putih 100°C

11. Pasa suatu pemanas air terdapat lukisan 220 V 300 W. Pemanas ini dihubungkan ke suplai PLN 220 V dan digunakan untuk memanaskan 2 liter air yang suhu awalnya 25°C. Berapa lamakah waktu yang diperlukan agar suhu menjadi 85°C?

12. Berapa lama diperlukan oleh suatu pemanas listrik 4 KW untuk memanaskan 80 Kg air mandi dari suhu 15°C menjadi 35°C?

13. Sebuah pemanas listrik 24 W, ditanam dalam sebuah balok besar 0°C. Setelah pemanasan selama 672 det diperoleh bahwa 48 gr es telah melebur menjadi air pada 0°C. Hitung kalor laten lebur es 

14. Jelaskan perbedaan konduktor dengan isolator

15. Sebutkan 3 contoh peristiwa yang tergolong dalam konveksi

16. Apa yang dimaksud dengan radiasi?