Perpindahan Kalor – Rumus, Jenis, Kapasitas dan Contoh Soal – Untuk pembahasan kali ini kami akan mengulas mengenai Perpindahan Kalor yang dimana dalam hal ini meliputi pengertian, rumus, jenis, kapasitas dan contoh soal, nah agar dapat lebih memahami dan dimengerti simak ulasan selengkapnya dibawah ini.
A. Pengertian Kalor
Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah jika kedua benda tersebut saling disentuhkan. Karena kalor merupakan suatu bentuk energi, maka satuan kalor dalam S.I. adalah Joule dan dalam CGS adalah erg.
1 Joule = 107 erg.
Dahulu sebelum orang mengetahui bahwa kalor merupakan suatu bentuk energi, maka orang sudah mempunyai satuan untuk kalor adalah kalori.
1 kalori = 4,18 joule atau 1 Joule = 0,24 kal.
Baca Juga Artikel yang Mungkin Berkaitan : Hukum Hess adalah
1. Pengaruh Kalor Terhadap Suhu
Dari gambar diatas terlihat bahwa jika satu gelas air panas dicampur dengan satu gelas air dingin, setelah terjadi keseimbangan termal menjadi air hangat. Hal tersebut dapat terjadi karena pada saat air panas dicampur dengan air dingin maka air panas melepaskan kalor sehingga suhunya turun dan air dingin menyerap kalor sehingga suhunya naik.
Dengan demikian jika terdapat suatu benda yang menerima kalor suhunya akan naik. Faktor apakah yang mempengaruhi banyaknya kalor yang diserap oleh suatu zat?
2. Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor
Kalor dapat diberikan kepada benda atau diambil darinya. Kalor dapat diberikan pada suatu benda dengan cara pemanasan dan sebagai salah satu dampak adalah kenaikan suhunya. Kalor dapat diambil dari suatu benda dengan cara pendinginan dan sebagai salah satu dampak adalah penurunan suhu. Jadi, salah satu dampak dari pemberian atau pengurangan kalor adalah perubahan suhu yang diberi lambang ⊗t.
Hasil percobaan di atas menunjukkan bahwa, dari pemanasan air dan minyak kelapa dengan massa air dan minyak kelapa yang sama, dengan selang waktu pemanasan yang sama ternyata banyaknya kalor yang diserap oleh air dan minyak kelapa tidak sama.
Untuk membedakan zat-zat dalam hubungannya dengan pengaruh kalor pada zat-zat itu digunakan konsep kalor jenis yang diberi lambang “c”. Kalor jenis suatu zat didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk menaikkan atau menurunkan suhu satu satuan massa zat itu sebesar satu satuan suhu. Jika suatu zat yang massanya m memerlukan atau melepaskan kalor sebesar Q untuk mengubah suhunya sebesar ⊗T, maka kalor jenis zat itu dapat dinyatakan dengan persamaan:
Satuan dalam S.I.:
c dalam J/Kg . K Q dalam joule
m dalam Kg
⊗T dalam Kelvin
Baca Juga Artikel yang Mungkin Berkaitan : Reaksi Eksoterm adalah
Tabel
Kalor jenis beberapa zat dalam J/Kg.K
| Zat | Kalor jenis | Zat | Kalor jenis |
| Air | 4.180 | Kuningan | 376 |
| Air laut | 3.900 | Raksa | 140 |
| Aluminium | 903 | Seng | 388 |
| Besi | 450 | Spiritus | 240 |
| Es | 2.060 | Tembaga | 385 |
| Kaca | 670 | Timbal | 130 |
Dari persamaan Q = m . c . ⊗T, untuk benda-benda tertentu nilai dari m . c adalah konstan. Nilai dari m . c disebut juga dengan kapasitas kalor yang diberi lambang “C” (huruf kapital). Kapasitas kalor didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk mengubah suhu benda sebesar satu satuan suhu.
Persamaan kapasitas kalor dapat dinyatakan dengan:
Satuan dari C adalah J/K
Dari persamaan: Q = m . c . ⊗T dan Q = C . ⊗T
3. Asas Black
Bila dua zat yang suhunya tidak sama dicampur maka zat yang bersuhu tinggi akan melepaskan kalor sehingga suhunya turun dan zat yang bersuhu rendah akan menyerap kalor sehingga suhunya naik sampai terjadi kesetim- bangan termal. Karena kalor merupakan suatu energi maka berdasar hukum kekekalan energi diperoleh kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap.
Baca Juga Artikel yang Mungkin Berkaitan : Perubahan Fisika adalah
Konsep tersebut sering disebut dengan asas Black, yang secara matematis dapat dinyatakan:
4. Mengukur Kalor
Pengukuran kalor sering dilakukan untuk menentukan kalor jenis suatu zat. Dengan mengetahui kalor jenis suatu zat maka dapat dihitung banyaknya kalor yang dilepaskan atau diserap dengan mengetahui massa zat dan perubahan suhunya, menggunakan persamaan:
Alat yang dapat digunakan untuk mengukur kalor adalah kalorimeter. Salah satu bentuk kalorimeter ialah kalorimeter campuran yang secara bagan tampak pada gambar di bawah ini.
Kalorimeter terdiri atas sebagai berikut:
- Sebuah bejana kecil terbuat dari logam tipis yang di gosok Bejana inilah yang dinamakan kalorimeternya.
- Sebuah bejana yang agak besar, untuk memasukkan kalorimeternya. Di antara kedua bejana itu dipasang isolator yang berfungsi untuk mengu- rangi kehilangan kalor karena dihantarkan atau dipancarkan sekitarnya
- Penutup dari isolator panas yang telah dilengkapi dengan termometer dan pengaduk. Pengaduk biasanya juga terbuat dari logam sejenis.
5. Perubahan Wujud Zat
Wujud zat dapat dikelompokkan menjadi tiga, yaitu zat padat, zat cair dan zat gas. Wujud suatu zat dapat berubah dari wujud zat yang satu menjadi wujud yang lain. Perubahan wujud dapat disebabkan karena pengaruh kalor.
Baca Juga Artikel yang Mungkin Berkaitan : Amonia – Pengertian, Rumus, Proses, Sifat, Dampak dan Cara
Perubahan wujud zat selain karena penyerapan kalor, dapat juga karena pelepasan kalor. Setiap terjadi perubahan wujud terdapat nama-nama tertentu. Berikut adalah skema perubahan wujud zat beserta nama perubahan wujud zat tersebut.
Tabel:
| No. | Nama | Perubahan | ||
| dari wujud | ke wujud | Kalor | ||
| 1. | mencair | padat | cair | diserap |
| 2. | menguap | cair | gas | diserap |
| 3. | menyublim | padat | gas | diserap |
| 4. | membeku | cair | padat | dilepas |
| 5. | mengembun | gas | cair | dilepas |
| 6. | menyublim | gas | padat | dilepas |
Dengan kata lain pada saat zat mengalami perubahan wujud, suhu zat tersebut tetap, sehingga selama terjadi perubahan wujud zat seakan-akan kalor tersebut disimpan. Kalor yang tersimpan tersebut disebut kalor laten, yang diberi lambang “L”.
Banyaknya kalor yang diserap atau dilepaskan selama terjadi perubahan wujud dapat dinyatakan dengan persamaan:
Keterangan:
Q = banyak kalor yang diserap atau dilepaskan (dalam joule).
m = massa zat yang mengalami perubahan wujud (dalam Kg).
L = kalor laten (dalam Joule/Kg).
Nama-nama kalor laten, antara lain:
- pada saat melebur disebut kalor lebur
- pada saat menguap disebut kalor uap
- pada saat menyublim disebut kalor sublim
- pada saat membeku disebut kalor beku
- pada saat mengembun disebut kalor embun
Dari hasil percobaan yang dilakukan oleh para ilmuwan diperoleh:
Perubahan wujud es sampai menjadi uap jenuh, beserta persamaan kalor yang diserap dapat digambarkan seperti bagan di bawah ini.
- Dari es dengan suhu <0ºC sampai es 0ºC, kalor yang diserap: Q = mes . Ces . ⊗t
- Dari es dengan suhu 0ºC sampai air 0ºC (es melebur), kalor yang diserap: Q = mes . Les
- Dari air dengan suhu 0ºC sampai air 100ºC, kalor yang diserap: Q = ma . Ca . ⊗t ® ma = mes
- Dari air dengan suhu 100ºC sampai uap 100ºC (air mendidih), kalor yang diserap: Q = ma . Lu
- Dari uap dengan suhu 100ºC sampai uap jenuh, kalor yang diserap: Q = mu . Cu . ⊗t ® mu = ma = mes
Baca Juga Artikel yang Mungkin Berkaitan : Etanol – Pengertian, Msds, Rumus, Struktur, Bahaya, pH & Pembuatannya
Contoh Soal
Terdiri dari:
1. Berapakah kalori kalor yang diperlukan untuk memanaskan 2 liter air dari 30ºC menjadi 80ºC jika massa jenis air = 1 gram/cm³ dan kalor jenis air = 1 kal/grºC?
Diketahui:
V = 2 liter = 2 . 10³ cm³
⊗t = 80ºC – 30ºC = 50ºC
þ = 1 gram/cm³
c = 1 kal/grºC
Ditanya: Q = …?
Jawab:
m = r . V = 1 x 2 x 10³ = 2 . 10³ gram
Q = m . c . ⊗t
Q = 2 . 10³ . 1 . 50
Q = 105 kalori
2. Berapakah kapasitas kalor dari 5 kg suatu zat yang mempunyai kalor jenis 2 kal/grºC?
Diketahui:
m = 5 kg = 5000 gram
c = 2 kal/grºC
Ditanya: C = …?
Jawab:
Q = m . c . ⊗t
Q = C . ⊗t
C = m . c
C = 5000 . 2 = 10.000 kal/ºC
B. Perpindahan Kalor
Pada penjelasan sebelumnya telah dibahas bahwa kalor merupakan suatu bentuk energi yang dapat berpindah karena ada perbedaan suhu. Perpindahan kalor dapat terjadi dengan 3 cara, yaitu secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Untuk lebih jelasnya perhatikan uraian berikut:
1. Konduksi
Perpindahan kalor secara konduksi (hantaran) adalah perpindahan kalor melalui zat perantara dimana partikel-partikel zat perantara tersebut tidak berpindah. Perhatikan gambar dibawah berikut:
Dari gambar 4.11 tersebut jika ujung batang logam dipanaskan dengan api, ternyata ujung logam yang kita pegang akhirnya menjadi panas. Hal tersebut membuktikan adanya per- pindahan kalor dari ujung batang logam yang dipanaskan ke ujung batang yang kita pegang.
Ada zat yang daya hantar panasnya baik, ada pula zat yang daya hantar panasnya buruk. Berdasarkan daya hantar panasnya maka zat dikelompokkan menjadi dua yaitu konduktor dan isolator.
- Konduktor (zat yang dapat menghantarkan panas dengan baik) antara lain: tembaga, aluminium, besi, dan baja.
- Isolator (zat yang kurang baik menghantarkan panas), antara lain: kaca, karet, kayu, dan plastik.
Kemampuan menghantarkan kalor logam dapat dijelaskan dengan mengang- gap adanya elektron-elektron bebas pada logam. Elektron bebas ialah elektron yang dengan mudah dapat pindah dari satu atom ke atom lain. Di tempat yang dipanaskan energi elektron-elektron bertambah besar.
Baca Juga Artikel yang Mungkin Berkaitan : Asam Sulfat – Pengertian, Sifat, Rumus, Bahaya dan Proses
Karena elektron bebas mudah pindah, pertambahan energi ini dengan cepat dapat dibawa ke tempat lain di dalam zat dan dapat diberikan ke elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan cara ini energi berpindah lebih cepat.
Dari percobaan dan penalaran ditemukan bahwa kecepatan mengalirnya kalor dengan cara konduksi dari satu tempat ke tempat lain dalam satu potong zat bergantung pada lima faktor, yaitu selisih suhu T, luas penampang A, tebal zat L, lamanya kalor mengalir t, dan jenis zat (lihat Gambar diatas). Dari percobaan ditemukan bahwa kalor yang mengalir:
- sebanding dengan selisih suhu (⊗T) antara kedua ujung potongan zat yang ditinjau
- sebanding dengan luas penampang potongan (A)
- berbanding terbalik dengan tebal atau panjang potongan (L)
- sebanding dengan selang waktu lamanya kalor mengalir
Atas dasar itu, secara matematik banyaknya kalor H yang mengalir dari ujung bersuhu T1 ke ujung bersuhu T2 dapat dinyatakan dengan persamaan:
Keterangan:
H = perambatan kalor tiap satuan waktu (Kal/det)
K = koefisien konduksi termal (Kal/mºC)
⊗T = perbedaan suhu (ºC)
A = luas penampang (m²)
L = panjang (m)
Tabel: Konduktivitas termal beberapa zat
| Zat/bahan | k( kj )
m . s . K |
| Logam | |
| Perak | 4,2 X 10-1 |
| Tembaga | 3,8 X 10-1 |
| Aluminium | 2,1 X 10-1 |
| Kuningan | 1,0 X 10-2 |
| Besi/Baja | 4,6 X 10-3 |
| Zat/bahan | k( kj )
m . s . K |
|
| Zat padat lain | ||
| Beton | 1,7 X 10-3 | |
| Kaca | 8,0 X 10-4 | |
| Batu bata | 7,1X 10-4 | |
| Kayu cemara | 1,2 X 10-4 | |
| Zat cair | ||
| A i r | 5,7 X 10-4 | |
| Bahan Isolator | ||
| Serbuk gergajian | 5,9 X 10-5 | |
| Gabus | 4 X 10-5 | |
| Wol gelas | 3,9 X 10-5 | |
| Kapuk | 3,5 X 10-5 | |
| G a s | ||
| Hidrogen | 1,7 X 10-4 | |
| Udara | 2,3 X 10-5 |
2. Konveksi
Perpindahan kalor secara konveksi (aliran) adalah perpindahan kalor karena aliran zat yang dipanaskan. Konveksi hanya terjadi pada zat yang dapat mengalir, yaitu:
a. Konveksi dalam zat cair
Bila air dipanaskan, air akan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Karena massa jenisnya berkurang maka air ini menjadi lebih ringan dan naik ke atas. Tempatnya kemudian digantikan oleh air yang lebih dingin dari atas, yang turun karena massa jenisnya lebih besar. Gerakan atau sirkulasi air tersebut dinamakan arus konveksi.
Penerapan konveksi kalor dalam air pada kehidupan sehari-hari
Terdiri atas:
- Pemanasan air dalam ketel
Pada saat kita memanaskan air dalam ketel, maka terjadi pemindahan kalor secara konduksi dan konveksi.
- Sistem aliran panas
Di hotel-hotel besar, tiap-tiap kamar mandi biasanya disediakan kran air dingin dan kran air hangat. Air panas dialirkan dari tempat pemanasan dan penyimpanan air panas ke seluruh bangunan secara konveksi.
Pada saat air dalam ketel dipanasi, maka air panas dalam ketel naik mengisi tangki penyim- panan dan air dingin dalam tangki penyimpanan turun ke ketel pe- manasan sehingga keseluruhan air dalam sistem menjadi panas.
Baca Juga Artikel yang Mungkin Berkaitan : Reaksi Eksoterm adalah
Jika kran A dibuka, air panas di bagian atas tangki penyimpanan keluar dan air dingin dari pusat persediaan air masuk ke tangki B melalui pipa dengan katub yang diatur oleh gerakan naik turunnya bola pelampung, sehingga jumlah air dalam sistem tetap.
Demikian seterusnya sehingga air panas terus tersedia. Pipa C berfungsi untuk mengalirkan uap panas atau limpahan air yang terjadi karena pemanasan.
b. Konveksi dalam udara
Arus konveksi pada udara atau gas terjadi ketika udara panas naik dan udara yang lebih dingin turun. Konveksi udara dapat dilihat pada gambar di bawah. Jika lilin dinyalakan akan terjadi aliran udara panas dalam alat. Dengan menggunakan asap dari obat nyamuk yang dibakar, aliran udara terlihat. Udara panas akan naik dan udara dingin akan turun.
Penerapan konsep konveksi kalor dalam udara pada kehidupan sehari-hari dapat dilihat pada terjadinya angin laut, angin darat dan pembuatan cerobong asap pada tangki pabrik.
- Angin laut (terjadi siang hari)
Pada siang hari daratan lebih cepat panas dari pada lautan. Akibatnya udara di atas daratan naik, dan kekosongan tersebut akan digantikan oleh udara yang lebih dingin dari atas laut yang bertiup ke darat. Maka terjadilah angin laut.
- Angin darat (terjadi malam hari)
Pada malam hari daratan lebih cepat dingin dari pada lautan, karena daratan lebih cepat melepaskan kalor. Akibatnya udara panas di lautan naik dan kekosongan tersebut digantikan oleh udara yang lebih dingin dari atas daratan yang bertiup ke laut. Maka terjadilah angin darat.
- Pembuatan cerobong asap pada tungku pabrik
Pada tungku pabrik biasanya dipasang cerobong asap agar selalu ada tarikan oleh udara ke atas. Sebelum ada pemanasan di dalam tungku, massa jenis udara dalam cerobong sama dengan massa jenis udara di luar cerobong. Setelah ada pemanasan, udara di dalam tungku memuai sehingga udara dari luar cerobong yang lebih dingin dan massa jenisnya lebih besar akan mendesak udara panas dalam cerobong ke atas. Semakin tinggi cerobong semakin besar tarikannya, sebab perbedaan massa jenis gas dalam cerobong dan massa jenis udara dari luar makin besar.
3. Radiasi
Antara bumi dengan matahari terdapat ruang hampa yang tidak memungkin- kan terjadinya konduksi dan konveksi. Akan tetapi panas matahari dapat kita rasakan. Dalam hal ini kalor tidak mungkin berpindah dengan cara konduksi ataupun konveksi. Perpindahan kalor dari matahari ke bumi terjadi lewat radiasi (pancaran). Jadi radiasi adalah perpindahan kalor tanpa zat perantara.
Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi (pancaran) kalor dinamakan termoskop.
Dua buah bola lampu dihubungkan dengan pipa U berisi alkohol yang diberi warna. Bola lampu A dihitamkan, sedangkan bola lampu B tidak. Bila pancaran kalor jatuh pada bola A, tekanan gas di dalam bola A, bertambah besar dan permukaan alkohol di bawah B akan naik. Bila A dan B bersama-sama diberi pancaran kalor, permukaan alkohol di bawah A tetap turun dan permukaan alkohol di bawah B naik. Hal ini menunjukkan bahwa bola hitam menyerap kalor lebih banyak daripada bola lampu yang tidak dihitamkan.
Banyaknya kalor yang dipancarkan tiap satuan luas, tiap satuan waktu dapat dinyatakan dengan :
Keterangan:
W = energi kalor tiap satuan luas tiap satuan waktu (Watt/m2 K)
e = emisivitas, besarnya tergantung sifat permukaan benda.
t = konstanta stefan – Boltzman = 5,672.10-8 watt m-2 K-4
T = suhu mutlak (K)
C. Mencegah Perpindahan Kalor
Energi kalor dapat dicegah untuk berpindah dengan mengisolasi ruang tersebut.
1. Botol Termos
Terdiri atas:
- Untuk mencegah agar zat cair yang ada di dalamnya tetap panas dalam waktu yang lama, maka botol termos dibuat dari gelas tipis rangkap dua, yang ruang di antaranya dibuat hampa udara agar hilangnya kalor secara konduksi sangat kecil.
- Sumbat gabus dimaksudkan untuk mengurangi hilangnya kalor secara konveksi melalui udara ke luar.
- Dinding luar termos dilapisi perak mengkilap, untuk mengurangi hilangnya kalor secara radiasi.
2. Seterika
Terdiri atas:
- Seterika terbuat dari bahan konduktor, misal- nya kuningan atau besi, sehingga mengkon- duksi kalor kepada pakaian yang
- Pegangan seterika terbuat dari kayu agar tidak panas, karena kayu termasuk isolator, yaitu penghantar kalor yang kurang baik.
Contoh Soal Perpindahan Kalor
Terdiri atas:
1. Sebatang besi berbentuk silinder dengan luas penampang 10 cm² dan pan- jang 50 cm. Pada ujung-ujung besi tersebut mempunyai beda suhu 2ºC. Jika koefisien konduksi besi 4,6 . 10-³ KJ/m.sºC, berapakah besar rambatan kalor tiap detik pada besi tersebut?
Diketahui:
A = 10 cm² = 10-3 m²
L = 50 cm = 0,5 m
ÄT = 2ºC
K = 4,6 . 10-³ KJ / m.s ºC
Ditanya: H = …?
2. Sebuah benda hitam pada saat dipanaskan sampai suhu 27ºC memancarkan energi 10 joule. Berapakah energi yang dipancarkan oleh benda hitam tersebut jika dipanaskan sampai 127ºC?
Diketahui:
T1 = (27 + 273)K = 300 K
W1 = 10 joule
T2 = (127 + 273)
K = 400 K
Ditanya: W2 = …?
Jawab:
Demikianlah pembahasan mengenai Perpindahan Kalor – Rumus, Jenis, Kapasitas dan Contoh Soal semoga dengan adanya ulasan tersebut dapat menambah wawasan dan pengetahuan anda semua, terima kasih banyak atas kunjungannya. 🙂 🙂 🙂
