KALOR

Yanuar asmara

Jurusan Pendidikan Fisika UPI

B.1. Kalor sebagai Transfer Energi

Kalor berasal dari kata caloric yang dikenalkan pertama kali oleh oleh ahli kimia dari perancis bernama A.L. Lavoiser. Sesungguhnya kalor merupakan salah satu bentuk energi sehingga kalor didefinisikan sebagai proses transfer energi karena adanya perbedaan suhu. Dimana kalor ini berpindah dari bagian yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu lebih rendah.

Pernyataan ini dapat dibuktikan oleh James Prescott Joule dengan percobaannya yang diberi nama percobaan Joule dalam percobaan ini didapat hasil bahwa kalor setara nilainya dengan energi mekanik. Alat percobaan Joule itu seperti gambar berikut :

Untuk menyatakan besar atau nilai kalor digunakan satuan yang dinamakan kalori dengan definisi satu kalori adalah banyaknya kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebanyak 1^oC. Dengan adanya percobaan Joule satuan kalori ini dapat dikompersikan dalam satuan Joule, dimana 1 joule sebanding dengan 0,24 kalori.

B.2. Kalor Jenis

Sebagaimana pernyataan bahwa kalor akan berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah hingga tercapai kesetimbangan termal. Kesetimbangan termal adalah keadaan dimana tidak terjadi lagi perubahan suhu ketika dua benda dalam keadaan kontak termal. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa kalor yang diserap atau yang dilepaskan oleh suatu benda menyebabkan perubahan suhu.

Disini dapat dikatakan juga bahwa kalor sebanding dengan perubahan suhu itu sehingga dapat kita nyatakan dengan :

Jika kalor jenis kita definisikan sebagai jumlah atau banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram massa benda sebesar 1^oC dan kita beri simbol c maka dapat kita tuliskan persamaan :

Akhirnya akan kita peroleh persamaan :

Dengan : Q = kalor (kalori atau joule),

m= massa (g atau kg),

c= kalor jenis (kal/g^oC atau J/kg^oC) dan

Dt= perubahan suhu (t₂-t₁ dalam ^oC).

Catatan : Jika Dt bernilai positif, maka Q positif itu berarti benda menerima kalor sedangkan jika Dt negatif, maka Q negatif dan ini berarti benda melepas kalor.

               

B.3. Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu sebesar 1^oC yang merupakan kemampuan benda menyerap atau melepas kalor pada setiap satu derajat. Jika kapasitas kalor diberi simbol C maka dapat dituliskan persamaan

Dimana persamaan

Maka kita dapat

Dengan : Q = kalor (kalori atau joule),

m= massa (g atau kg),

C=kapasitas kalor (kal/^oC atau J/^oC) dan

Dt= perubahan suhu (t₂-t₁ dalam ^oC).

B.4. Kalor Laten

Kalor yang diserap atau dilepaskan oleh suatu benda selain dapat mengakibatkan perubahan suhu juga dapat mengakibatkan perubahan wujud zat, namun perlu diperhatikan bahwa ketika suatu benda mengalami perubahan wujud benda itu tidak akan mengalami perubahan suhu. Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud zat ini disebut kalor laten. Yang dituliskan dengan persamaan :

Dengan : Q= kalor (kal atau joule),

m= massa (g atau kg),

L= kalor laten (kal/g atau J/kg).

Beberapa macam kalor laten :

1. Kalor uap
2. Kalor embun
3. Kalor beku
4. Kalor sublim

Perhatikan gambar di bawah ini :

Gambar grafik perubahan suhu terhadap waktu

Pada gambar tersebut tampak bahwa pada saat peleburan es menjadi air (b ke c) dan pada saat perubahan air menjadi uap (d ke e) tidak terjadi kenaikan suhu pada air.

B.6. Perubahan Fasa (wujud zat)

Untuk lebih mudah memahami perubahan fasa dapat digunakan diagram seperti berikut :

Gambar bagan perubahan fasa zat

dimana :

1. Menyublim yaitu perubahan wujud benda dari wujud padat ke wujud gas, kalor laten yang digunakan adalah kalor sublim .
2. Menyublim yaitu perubahan wujud benda dari wujud padat ke wujud gas, kalor laten yang digunakan adalah kalor sublim.
3. Mengembun yaitu perubahan wujud benda dari wujud gas ke wujud cair, kalor laten yang digunakan adalah kalor embun.
4. Menguap yaitu perubahan wujud benda dari wujud cair ke wujud gas, kalor laten yang digunakan adalah kalor uap.
5. Membeku yaitu perubahan wujud benda dari wujud cair ke wujud padat, kalor laten yang digunakan adalah kalor beku.
6. Mencair yaitu perubahan wujud benda dari wujud padat ke wujud cair, kalor laten yang digunakan adalah kalor cair.

Pada tekanan yang sama dengan bahan yang sama pula kalor beku sama dengan kalor cair, kalor embun sama dengan kalor uap dan kalor sublim keduanya sama.

Perubahan wujud tidak dapat terjadi pada setiap suhu melainkan pada suhu-suhu tertentu, seperti diperlihatkan oleh gambar grafik perubahan suhu terhadap waktu.

B.7. Kelembaban

Kelembaban adalah banyaknya kandungan uap air di udara. Kelembaban ini terbagi menjadi dua macam yaitu kelembaban isbi dan kelembaban mutlak, dimana kelembaban nisbi merupakan perbandingan antara tekanan parsial terhadap tekanan uap jenuh pada suhu tertentu dan kelembaban mutlak adalah banyaknya massa uap air yang terdapat dalam tiap satu satuan volum udara.

Kelembaban nisbi atau kelembaban relatif dapat dirumuskan (dalam %) sebagai berikut :

B.8. Kalorimeter

Alat yang digunakan untuk mengukur secara kuantitatif pertukaran kalor namun biasanya digunakan untuk menentukan besarnya kalor jenis suatu zat. Kalorimeter ini bekerja dengan menggunakan asas Black yang berbunyi : besarnya kalor yang dilepaskan oleh suatu benda yang suhunya lebih tinggi akan sama dengan besar kalor yang diterima suatu benda yang suhunya lebih rendah.

Asas Black ini berlaku jika kedua benda itu benar-benar terisolasi dari lingkungan sehingga pertukaran kalor hanya terjadi pada kedua benda itu. Asa ini dapat dituliskan sebagai berikut :

Q_lepas = Q_terima

Jika kita masukkan suatu benda ke dalam kalorimeter yang diisi air maka persamaan diatas menjadi :

Q_benda = Q_kalorimeter + Q_air

Atau

Dimana : b= benda,

k= kalorimeter,

a= air,

t₁= suhu awal awal air,

t₂ suhu awal benda dan

t_a suhu keseimbangan

B.9. Perpindahan Kalor

Kita telah mengetahui bahwa kalor mengalir atau berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah, perpindahan kalor ini ada tiga cara yaitu secara konduksi,konveksi dan radiasi.

a.       Konduksi

Perpindahan kalor secara konduksi adalah perpindahan kalor dari suatu bagian benda yang memiliki suhu lebih tinggi ke bagian yang memiliki suhu lebih rendah melalui trasfer kalor oleh atom-atom tanpa adanya perpindahan molekul benda tersebut. Perpindahan ini terjadi pada benda padat atau zat padat.

Contoh pada pemanasan salah satu ujung besi maka akan menjalar panas atau akan perpindah kalor ke ujung lain, ketika ujung a dipanaskan maka atom-atom pada ujung tersebut akan memiliki energi kinetik yang besar sejalan dengan naiknya suhu energi kinetik ini mengakibatkan atom bergarak cepat dan menumbuk atom sebelahnya dan karena tumbukan itu terjadi transfer energi yaitu kalor hingga ujung yang lain.

Gambar perpindahan kalor secara konduksi

Besar kalor yang pindah per satuan waktu (H) adalah :

Dengan : Q= kalor, T=suhu, A=luas penampang, t=waktu, L=panjang penhantar,k=koefesien konduksi termal (J/m.s.^oC)

Setiap zat mempunyai ciri yang berbeda dalam menghantarkan atau dalam proses perpindahan kalor secara konduksi, ada zat yang dapat menghantarkan kalor dengan cepat yang kita sebut bahan konduktor dan ada zat yang sukar menghantarkan kalor yang kita sebut bahan isolator.

b.      Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor dari bagian benda yang bersuhu tinggi ke bagian yang bersuhu lebih rendah oleh perpindahan molekul-molekul yang bergerak dari bagian yang bersuhu lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Perpindahan kalor ini terjadi pada fluida contohnya pemanasan air.

Gambar perpindahan secara konveksi

Ketika air bagian bawah dipanaskan sehingga suhunya lebih tinggi dari bagian atasnya sehingga massa jenis molekul air bagian bawah lebih kecil dari massa jenis molekul air bagian atas yang memiliki suhu lebih rendah karena adanya gaya archimedes yang mendorong molekul yang bermassa jenis lebih kecil bergerak ke atas maka akan terjadi siklus pergerakan molekul air dengan membawa kalor yang diterimanya.

Besar kalor yang dipindahkan per satua waktu (H) adalah

Dengan : h= koefisien konveksi (J/m².^oC)

c.       Radiasi

Radiasi  adalah proses perpindahan kalor dari bagian yang bersuhu lebih tinggi ke bagian yang bersuhu lebih rendah melalui gelombang elektromagnetik dengan kata lain perpindahan kalor ini tidak mmerlukan medium untuk menghantarkan kalor.

Kita tahu bahwa matahari sebagai sumber kalor terbesar yang dapat dimanfaatkan, kalor yang dipancarkan matahari sampai ke bumi dipancarkan dengan cara radiasi. Sebenarnya semua benda memancarkan radiasi akan tetapi, jika telah mencapai keseimbangan atau suhu yang sama dengan lingkungannya benda tidak akan lagi memancarkan radiasi. Pada keseimbangan ini sesungguhnya terjadi kesamaan antara kalor yang diserap benda dengan kalor yang dilepaskan benda.

Dari percobaan Stefan-Boltz disimpulkan bahwa besarnya kalor per satuan waktu  (R) yang dipancarkan suatu benda yang bersuhu T akan memenuhi :

R= es(T⁴-T₀⁴)

Jika suhu benda jauh lebih besar dari suhu lingkungan maka :

R= esT⁴

Dengan : e= koefisien amisivitas (0<e<1),T= suhu mutlak benda (K), s= konstanta Stefan-Boltz (5,672x10^-8 watt/m²K⁴).

Untuk benda hitam sempurna e=1.

DAFTAR PUSTAKA

Giancoli, Douglas.2001. Fisika Jilid 1 (terjemahan). Jakarta : Erlangga.

Halliday, Resnick.1991. Fisika Jilid 1(terjemahan). Jakarta : Erlangga.

Kamajaya. 2003. Fisika 1 untuk SMU. Bandung: Ganeca.

Kanginan, Marthen. 2000. Fisika SMU. Jakarta : Erlangga.

Tipler.1991. Fisika Jilid 1(terjemahan). Jakarta : Erlangga.