Kalor

KALOR

A.   Kalor sebagai Pengubah Suhu

Tujuan Pembelajaran:

1.    Siswa dapat menjelaskan pengertian kalor

2.    Siswa da[at menjelaskan kapasitas kalor dan kalor jenis

3.    Siswa dapat menjelaskan cara kerja kalorimeter

1.    Pengertian Kalor

Kalor tidak dapat diindra secara langsung. Kalor dapat diketahui dengan melihat akibat yang ditimbulkan pada suatu benda, misalnya suhunya naik, wujudnya berubah, volumenya berubah. Banyaknya energiyang diterima oleh sebuah benda sehingga suhu suatu benda itu naik atau berubah wujud atau banyaknya energi yang dilepaskan oleh sebuah benda sehingga suhu benda itu turun atau berubah wujudnya sesebut kalor. Kalor berbeda dengan suhu. Suhu merupakan ukuran (derajat) panas sedangkan kalor merupakan ukuran banyaknya panas.

a.    Kalori

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sehingga suhu air naik 1⁰ C disebut satu kalori. Besarnya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu air sebanding dengan massa air dan perubahan suhu  ΔT secara matematis di tuliskan :

Q = m.  ΔT

Keterangan :

Q                     = banyaknya kalor yang digunakan menaikkan suhu benda (kalori)

M                     = massa benda (gram)

ΔT                   = perubahan suhu benda (⁰C )

Satuan kalor dalam Satuan internasional (SI) adalah Joole atau newtonmeter. Besarnya kalor dapat diukur dengan Joulemeter.

b.    Kalor sebagai Bentuk Energi

Robert Mayer (1814 – 1878) dan Joule (1814 – 1889) mengemukakan bahwa kalor adalah salah satu bentuk energi. Kalor dapat ditimbulkan dari energi mekanik, energi kimia, energi listrik dan sebagainya. Bilangan yang menyatakan banyak kalor dalam Joule yang sama nilainya dengan satu kalori disebut tara kalor mekanik.

Besar tara kalor mekanik sebagai berikut

1 kilokalori                = 4,2 x10³ Joule

1 kalori                       = 4,2 Joule

1 Joule                       = 0,24 kalori

1 Joule                       = 1 newtonmeter

                                                = 1 (10⁵ dyne) (10² cm)

                                                = 10⁷ erg

c.    Asas Black

Asas Black menyatakan bahwa kalor yang diterima sama dengan kalor yang dilepaskan.  Pengukuran- pengukuran yang telah dilakukan oleh Black menghasilkan asaz-asas sebagai berikut :

1.    Jika dua benda saling bersentuhan, benda yang panas akan memberikan kalor kepada benda yang dingin sehingga kedua benda itu memiliki suhu yang sama tingginya.

2.    Jumlah kalor yang diserap oleh benda yang dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepaskan oleh benda yang panas

3.    Sebuah benda yang didinginkan dengan perubahan suhu  ΔT⁰C akan melepaskan kalor yang sama banyaknya dengan kalor yang diserapnya jika dipanasi dengan perubahan suhu ΔT⁰C.

Asas Black ini merupakan suatu bentuk dari hukum kekelan energi yang menyatakan bahwa jumlah energi seluruhnya tidak berubah.

5.    Kapasitas Kalor , Kalor Jenis dan Kalorimeter

a.    Kapasitas Kalor

Kapasitas Kalor suatu benda adalah bilangan yang menunjukkan banyak kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda itu 1⁰C. Kapasitas kalor juga sering disebut harga air. Sebab untuk menaikkan suhu 100 gram raksa sebesar 1⁰C diperlukan kalor yang sama banyaknya dengan yang diperlukan untuk menaikkan suhu 3 gram air 1⁰C. Jadi kapasitas kalor untuk 100 gram raksa adalah 3 kalori/⁰C. Berapa kapasitas kalor dinyatakan dengan persamaan berikut :

H = Q/ ΔT

Keterangan :

H = Kapasitas Kalor (kal/⁰C atau J/K

Q = kalor yang diperlukan (kalori atau Joule)

ΔT = keanikan suhu (⁰C atau K)

b.    Kalor Jenis

Kalor jenis suatu zat adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu satuan massa zat itu 1⁰C. Jika kalor jenis zat dinakana C, banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu m gram zat menjadi T⁰C dinyatakan dengan persamaan berikut :

Q = m.C. ΔT

Jika persamaan kapasitas kalor dihubungkan dengan persamaan kalor jenis, diperoleh :

H = m.C

Keterangan :

H = kapasitas kalor (kal/⁰C atau J/K)

M = massa zat (gram atau Kilogram)

C = kalor jenis zat (kal/ g⁰C atau J/kgK)

Berikut Tabel Kalor jenis beberapa zat

Nama Zat	Kalor Jenis
	(J kg-1K-1)	(kal g-1 0C-1)
Besi	460	0,11
Tembaga	390	0,09
Aluminium	920	0,22
Gelas	840	0,20
Timah	128	0,03
Perak	240	0,06
Es	2100	0,50
Air	4200	1,00
raksa	138	0,03
Minyak tanah	2200	0,52
Bensin	1720	0,41
Alkohol	2500	0,60
Uap air	2010	0,48
Udara	1050	0,25
Helium	5190	1,24
Neon	1050	0,25

c.    Kalorimeter

Kalorimeter adalah alat untuk menentukan kalor jenis suatu zat. Dua macam cara menentukan kalor jenis zat sebagai berikut:

1)    Menentukan Kalor Jenis Logam

Kalorimeter diisi dengan air sebanyak P gram. Suhu permuklaan diukur sebagai T⁰C. Logam yang akan diukur kalor jenisnya ditimbang, misalnya seberat m gram, lalul diberi suhu tetap, misalnya dengan meanasinya dengan uap air yang sedang mendidik pada suhu 100⁰C. Logam yan gsuhunya 100⁰C ini kemudian dimasukkan dengan cepat ke dalam kalorimeter, lalu airnya diaduk pelan-pelan sampai suhu pada kalorimeter tidak naik lagi. Inilah T­­₂, yaitu suhu akhir kalorimeter beserta air, logam dan perlengkapan lainnya.

Jika harga air kalorimeter beserta perlengkapannya H, kalor yang diterima oleh kalorimeter ditambah air adalah Q = (H + P)(T₂ – T₁). Jika kalor jenis logam sama dengan c, kalor yang dilepaskan oleh logam itu adalah Q = m.c.(100-T₂).

Sesuai dengan asas Black, kalor yang diterima sama dengan kalor yang dipelaskan sehingga c dapat dihitung dengan cara berikut:

Kalor yang diterima = kalor yang dilepaskan

(H + P)(T₂ – T₁) = m.c.x (100 – T₂)

Gambar Kalorimeter untuk zat padat

2)    Menentukan Kalor Jenis Zat Cair

Kalor jenis zat cair dapat ditentukan dengan menggunakan benda padat yang telah diketahui kalor jenisnya. Kalorimeter diisi dengan zat cair yang hendak ditentukan kalor jenisnya. Misalnya P gram. Kalor jenis zat cair misalnya a, harga airnya adalah P. A kal/⁰C

Persamaannya sebagai berikut:

(H+Pa)(T₂-T₁) = m.c. x(100 – T₂).

Gambar Kalorimeter untuk zat cair

B.   Kalor Sebagai Pengubah Wujud Zat

Tujuan Pembelajaran:

1.    Siswa dapat menjelaskan pengaruh kalor terhadap perubahan wujud zat

2.    Siswa dapat menjelaskan proses penguapan zat

3.    Siswa dapat menjelaskan proses pengembunan zat

4.    Siswa dapat menjelaskan proses mendidihnya zat

5.    Siswa dapat menjelaskan proses peleburan zat

1.    Melebur dan Membeku

Melebur adalah perubahan wujud dari zat padat menjadi zat cair. Pada peristiwa ini terjadi penyerapan kalor. Membeku adalah perubahan wujud dari zat cair menjadi padat. Pada peristiwa ini terjadi pelepasan kalor.

Suhu zat pada saat membeku dan melebur sama. Suhu ketika zat pada berubah menjadi cair disebut titik lebur. Suhu ketika zat cair beubah menjadi padat disebut titik beku. Nilai titik lebur sama degan titik beku.

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah satu satuan massa zat padat menjadi cair pada titik leburnyandisebut kalor lebur. Banyaknya kalor yang dilepaskan oleh satu satuan massa zat untuk berubah dari tingkat cair ke tingkat padat pada titik bekunya disebut kalor beku. Kalor lebur dan kalor beku dapat di tentukan dengan persamaan berikut :

Q = m. L                           atau                L = Q/m

Keterangan:

Q         = Kalor yang diperlukann (kalori)

L          = kalor lebur/ kalor beku (kal/g atau kkal/kg)

m         = massa zat (gram)

Pada saat membeku air memuai, sedangkan zat lain menyusut. Kebanyakan zat memuai pada waktu melebur, kecuali es, besi, perak dan bismut yang menyusut pada waktu melebur.

Es terapung dalam air karena massa jenis es lebih kecil daripada massa jenis air. Jadi, untuk massa yang sama, volume es lebih besar daripada volume air. Parafin padat tenggelam dalam parafin yang telah di cairkan. Jadi, untuk massa yang sama, volume parafin padat lebih kecil daripada volume parafin cair.

Kalor lebur suatu zat dapat ditentukan dengan kalorimeter. Persamaan-persamaan untuk menentukan kalor lebur sebagai berikut :

Kalor yang dilepaskan = (H+P) (T₁-T₂)

Kalor yang diterima =  m.L +m.T₂

Kalor yang dilepaskan =kalor yang diterima

(H+P) (T₁-T₂) =  m.L +m.T₂

Keterangan :

H = Kapasitas kalor (kal/⁰C atau J/K)

P = massa air (g atau kg)

T₁ = suhu kalorimeter mula-mula (⁰C atau K)

T₂ = suhu kalorimeter dan zat setelah zat melebur (⁰C atau K)

m = massa zat yang melebur (g atau kg)

L = kalor lebur (kal/g atau kkal/ kg)

Titik lebur suatu zat dipengaruhi oelh tekanan dan ketidakmurnian zat. Pada zat-zat yang menyusut pada waktu melebur, titik leburnya akan lebih rendah bila pada zat tersebut di beri tekanan. Pada kebanyakn zat yang menyusut pada waktu membeku, titik leburnya menjadi lebih tinggi kalau di tekan.

2.    Menguap dan Mengembun

Perubahan eujud dari zat cair menjadi gas disebut menguap. Pada peristiwa ini zat menyerap kalor. Penguapan zat cair dapat dipercepat dengan cara-cara berikut:

a.    memperluas bidang penguapan

b.    menaikkan suhu permukaan cairan

c.    meniupkan udara di atas permukaan cairan

d.    mengurangi tekanan di atas permukaan cairan

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah satu satuan massa zat cair pada titik didihnya supaya menjadi uap semua di sebut kalor uap. Kalor uap dapat dihitung dengan persamaan berikut :

U= Q/m

Keterangan :

U = kalor uap zat (kkal/ kg atau kal/g)

Q         = Kalor yang diperlukann (kalori)

m         = massa zat (gram)

Perubahan wujud dari gas menjadi zat cair disebut mengembun. Pada peristiwa ini zat melepaskan kalor, Kalor embun adalah banyaknya kalor yang dilepaskan pada waktu satu satuan massa uap berubah menjadi zat cair semua pada titik didihnya.

Kalor uap = kalor embun

Kalor uap dapat ditentukan dengan mengalirkan uap air yang mendidih ke dalam sebuah kalorimeter yang berisi air. Kemudian banyaknya kalor yang diserap maupun yang dilepas dihitung.

Banyaknya Kalor yang diserap = (H+P) (T₂-T₁)

Banyaknya Kalor yang dilepaskan =  m.U +m.(100 - T₂)

Keterangan :

H = Kapasitas kalor (kal/⁰C atau J/K)

P = massa air (g atau kg)

T₁ = suhu air mula-mula (⁰C atau K)

T₂ = suhu akhir air (⁰C atau K)

m = massa zat yang melebur (g atau kg)

100⁰C = suhu uap air

U = kalor uap air (kal/g atau kkal/ kg)

a.    Pendinginan Karena Penguapan

Penguapan zat cair memerlukan kalor. Jika pada penguapan zat cair tidak diberikan kalor, kalor yang diperlukan di ambil dari zat cair itu sendiri sehingga suhunya turun.

b.    Uap Jenuh dan Tidak Jenuh

Uap jenuh tidak mengikuti hukum Boyle. Tekanan jenuh (tekanan maksimum) tidak tergantung pada volumenya. Uap tidak jenuh mengikuti hukum Boyle. Persamaan Huku Boyle sebagai berikut:

P₁.V₁ = P_{2 .}V₂

Keterangan:

P₁        = tekanan awal (cmHg).

V₁        = tekanan akhir (cmHg)

P₂        = volume awal (liter)

V₂          = volume akhir (liter)

c.    Kelembaban Udara

Kelembababn Udara adalah banyaknya uap air di udara pada suatu saat tertentu. Lembab nisbi udara adalah perbandingan antara tekanan uap air yang berada di udara sebenarnya dan tekanan maksimumuap air pada suhu yang sama.

Lembab nisbi udara biasanya dinyatakan dalam persen(%) dan dihitung dengan persamaan:

e_t = P_t/M_t

Keterangan :

e_t         = lembab nisbi (%)

P_t         = tekanan uap air yang berada di udara pada T⁰C (cmHg)

M_t        = tekanan uap maksimum pada T⁰C (cmHg)

Lembab mutlak udara yaitu bilangan yang menyatakan banyak massa uap air yang berada dalam satu satuan volumeudara dan biasanya dinyatakan dalam g/m³.

Kelembaban udara dapat diukur dengan alat higrometer, misalnya higrometer rambut buatan Saussure.

d.    Mendidih

Mendidih adalah oenguapan yang terjadi di seluruh bagian zat cair. Zat cair mendidih jika tekanan uap jenuh pada titik didihnya sama dnengan tekanan di atas permukaan zat cair. Suhu ketika zat cair itu mendidih di sebut titik didih. Titik didih zat cair bergantung pada tekanan di atas permukaan zat cair.

Tekanan lebih besar pada zat cair menyebabkan titik didih zat cair tersebut naik. Demikian juga jika tekanan diperkecil. Titik didih zat cair turun. Contohnya pada proses-proses pengolahan di pabrik-pabrik gula. Penurunan titik didih pada larutan gula dilakukan dengan cara mengurangi tekanan. Naiknya titik didih karena tambahan tekanan di atas cat cair di praktikan pada otoklaf atau pressure cooker. Otoklaf biasa digunakan untuk sterilisasai alat-alat laroratirium dan kedokteran. Pressure cooker digunakan misalnya untuk memasak bandeng dan ayam presto.

Zat cair mendidih pada suhu tetap jika tekaan di atas permukaan zat cair itu tetap. Titik didih normal zat cair merupakan suhu pada zat cair itu mendidih pada tekanan 76 cmHg. Selama mendidih, kalor yang terus diterima oleh zat cait tidak digunakan untuk menaikkan suhu, tetapi untuk penguapan.

3.    Menyublim

Menyublim adalah perubahan wujud dari zat padat menjadi gas tanpa melalui fase cair atau sebaliknya dari gas menjdai zat padat. Pada saat zat padat menjadi gas diserap kalor, sebaliknya pada saat gas menjadi zat padat dilepaskan kalor. Contoh zat yang dapat menyublim adalah kapur barus, yodium dan naftalin.

C.   Perpindahan Kalor

Tujuan Pembelajaran:

1.    Siswa dapat menjelaskan proses perpindahan kalor secara konduksi

2.    Siswa dapat menjelaskan proses perpindahan kalor secara konveksi

3.    Siswa dapat menjelaskan proses perpindahan kalor secara radiasi

Kalor dapat berpindah tempat. Perpindhan kalor selalu dari yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah. Cara perpindahan kalor ada tiga macam, yaitu: Konduksi, Konveksi, dan radiasi.

1.    Konduksi atau Hantaran

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel atau bagian-bagian zat itu.. Perpindahan klalor secara konduksi terjadi pada benda padat.

Tidak semua benda padat mempunyai daya hantar kalor yang sama. Daya konduksi atau daya hantar kalor suatu zat adalah kemampuan zat tersebut untuk menghantarkan kalor. Benda yang dapat menghantarkan kalor dengan baik disebut konduktor. Misalnya besi, tembaga, aluminium dan kuningan. Pada umumnya logam merupakan penghantar kalor yang baik. Benda yang menghantarkan kalor dengan buruk disebut isolator. Misalnya wol, kayu, karet, ebonit, plastik dan kaca. Selain itu pada umumnya gas dan zat cair merupakan penghantar kalor yang buruk.

2.    Konveksi atau Aliran

Konveksi adalah perpindahan kalor melalui zat padat disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat itu. Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi dalam zat cair dan gas. Perpindahan kalor secara konveksi terjadi karena adanya perbedaan massa jenis zat. Massa jenis bagian zat yang dipanaskan lebih kecil daripada massa jenis zat yang tidak dipanaskan.

Pada pemanasan air terjadi peristiwa sebagai berikut: Ketika air dipanasi, air di bagian bawah yang terkena panas akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya kecil, bagian air tersebut akan naik ke lapisan atas. Lapisan air bagian atas yang lebih dingin turun karena massa jenisnya lebih besar. Selanjutnya, bagian ini dipanasisehingga akan naik dan tempatnya akan diisi air bagian atas lagi. Begitulah terjadi aliran air secara terus menerus hingga air mendidih.

Pemanasan air dalam ketel atau wadah dari logam lainnya sebagian terjadi karena konduksi melalui ketel dan sebagian lagi karena konveksi di dalam air sendiri.

Gas termasuk penghantar kalor yang buruk, tetapi gas juga dapat menghantarkan kalor secara baik dengan cara konveksi. Salah satu penyebab timbulnya angin, misalnya angin darat dan angin lau alah adanya arus kondveksi di udara.

3.    Radiasi atau Pancaran

Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa memerlukan zat perantara, misalnya perpindahan panas matahari. Pancaran kalor hanya terjadi dalam gas atau ruang hampa. Apabila kalor radiasi mengenai suatu benda, benda itu dapat meneruskan, memantulkan, atau menyerap kalor yang dipancarkan itu. Zat yang meneruskan kalor yang dipancarkan dan zat tersebut tidka menjadi panas disebut zat diaterman, misalnya udara. Zat yang menyerap kalor yang dipancarkan dan zat tersebut menjadi panas disebut zat aterman, misalnya gelas dan air.

Alat untuk menjajaki adanya pancaran kalor adalah termoskop. Termoskop diferensial digunakan untuk menyelidiki sifat pancaran berbagai permukaan, misalnya untuk menyetahui bahwa bendan dengan permukaan hitam menyerap dan memancarlan kalor lebih baik dibandingkan benda dnengan permukaan dengan warna yang lain. Alat tersebut terdiri atas dua buah bola kaca yang dihubungkan oleh sebuh pipa – U. Pipa U ini berisi alkohol yang diberi warna. Diantara kedua bola ini diletakkan sebuah kubus yang dapat diisi dengan air panassehingga keempat dindingnya yang tegak dapat dapat dipergunakan sebagai pemancar kalor. Tiga buah dinding di cat warna hitam(suram), sedangkan dinding yang keempat putih mengkilap. Untuk menunjukkan bahwa permukaan hitam lebih baikdalam menyerap pancaran kalor daripada permukaan yang mengkilap, salah satu bola dihadapkan pada dinding yang mengkilap dan bola yang lain dihadapkan pada dinding yang hitam. Akan terlihat bahwa permukaan alkohol di bawah bola yang berhadapan dengan permukaan hitam turun dan permukaan alkohol di bawah bola yang berhadapan dengan permukaan yan gmengkilap naik. Berarti permukaan yang hitam memancarkan kalor lebih cepat daripada permukaan yang mengkilap.

Gambar Termoskop

Penerapan konsep penyerapan, pemancaran dan pemantulan radiasi kalor sebagai berikut:

1.    Tangki kilang minyak di cat dengan warna perak mengkilat agar terjadi pemantulan radiasi kalor sehingga minya tidak cepat menguap.

2.    Radiator pada mobil di cat hitam agar oermukaan radiator tersebut mampu melepaskan kalor secara maksimum

3.    Botol rmos di rancang untuk mencegah terjadinya perambatan kalor, baik dari dalam mapun dari luar termos. Sebuah botol termos mempunyai dinding rangkap yang berlapis perak di bagian dalam. Ruang antara kedua dinding itu dihampakan sehingga es dapat bertahan dinginnya atau minuman panas dapat bertahan panasnya karena kalornya tidak dapat keluar ataupun masuk.

Gambar termos

Untuk lebih jelas tentang Suhu dan kalor, perhatikan video berikut yang di ambil dari Youtube.com; Meca medina