aby

Pencarian

Memuat...

Selasa, 05 Januari 2010

KALOR Dua buah benda yang berbeda temperaturnya saling berkontak termal, temperatur benda yang lebih panas berkurang sedangkan temperatur benda yang lebih dingin bertambah. Ada sesuatu yang berpindah dalam kasus ini. Kalorik, suatu materi yang tak terlihat, yang mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Benyamin Thomson/Count Rumford (1753-1814) dengan eksperimen-nya, dia mengebor logam, teramati bahwa mata bor menjadi panas dan didinginkan dengan air (sampai airnya mendidih), tentunya dari teori “kalorik”, kalorik tersebut lama kelamaan akan habis dan ternyata bila proses tersebut berlanjut terus kalorik tersebut tidak habis, jadi teori kalorik tidak tepat. Jadi kalor bukan materi. kalor T1 T2 T1>T2 1. KALOR dan ENERGI TERMAL Ada suatu perbedaan antara kalor (heat) dan energi dalam dari suatu bahan. Kalor hanya digunakan bila menjelaskan perpindahan energi dari satu tempat ke yang lain. Kalor adalah energi yang dipindahkan akibat adanya perbedaan temperatur.. Sedangkan energi dalam (termis) adalah energi karena temperaturnya. Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor 1. massa zat 2. jenis zat (kalor jenis) 3. perubahan suhu Sehingga secara matematis dapat dirumuskan : Q = m.c.(t2 – t1) Dimana : Q adalah kalor yang dibutuhkan (J) m adalah massa benda (kg) c adalah kalor jenis (J/kgC) (t2-t1) adalah perubahan suhu (C) 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) Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c) Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius. H = Q/(t2-t1) Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter. c = Q/m.(t2-t1) Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru H = m.c Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan. Keterangan : Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5). 2. Hubungan antara kalor dengan energi listrik Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik. Dalam pembahasan ini hanya akan diulas tentang hubungan energi listrik dengan energi kalor. Alat yang digunakan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah ketel listrik, pemanas listrik, dll. Besarnya energi listrik yang diubah atau diserap sama dengan besar kalor yang dihasilkan. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan. W = Q Untuk menghitung energi listrik digunakan persamaan sebagai berikut : W = P.t Keterangan : W adalah energi listrik (J) P adalah daya listrik (W) t adalah waktu yang diperlukan (s) Bila rumus kalor yang digunakan adalah Q = m.c.(t2 – t1) maka diperoleh persamaan ; P.t = m.c.(t2 – t1) 3. Asas Black Menurut asas Black apabila ada dua benda yang suhunya berbeda kemudian disatukan atau dicampur maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran ini akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Secara matematis dapat dirumuskan : Q lepas = Q terima Yang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh : Q lepas = Q terima m1.c1.(t1 – ta) = m2.c2.(ta-t2) Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asasa Black adalah pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (t1 – ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (ta-t2). Dan rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan. 4. Satuan Kalor. Satuan kalor adalah kalori dimana, 1 kalori adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gr air dari 14,5 C menjadi 15,5 C. Dalam sistem British, 1 Btu (British Thermal Unit) adalah kalor untuk menaikkan temperatur 1 lb air dari 63 F menjadi 64 F. 1 kal = 4,186 J = 3,968 x 10-3 Btu 1 J = 0,2389 kal = 9,478 x 10-4 Btu 1 Btu = 1055 J = 252,0 kal 5. Kesetaraan Mekanik dari Kalor. Dai konsep energi mekanik diperoleh bahwa bila gesekan terjadi pada sistem mekanis, ada energi mekanis yang hilang. Dan dari eksperimen diperoleh bahwa energi yang hilang tersebut berubah menjadi energi termal. Dari eksperimen yang dilakukan oleh Joule (aktif penelitian pada tahun 1837-1847) diperoleh kesetaraan mekanis dari kalor : 1 kal = 4,186 joule 6. KAPASITAS KALOR dan KALOR JENIS Kapasitas kalor (C) : jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari suatu sampel bahan sebesar 1 Co. Q = C T Kapasitas panas dari beberapa benda sebanding dengan massanya, maka lebih mudah bila didefinisikan kalor jenis, c : Kalor jenis, c : jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari 1 gr massa bahan sebesar 1 Co. Q = m c T T2 Bila harga c tidak konstan : Q =  m c dT T1 Catatan : untuk gas kalor jenis biasanya dinyatakan untuk satu mol bahan, dsb kalor jenis molar, Q = n c T Kalor jenis beberapa bahan pada 25 C. Bahan c (kal/gr. Co) Bahan c (kal/gr. Co) Aluminium 0,215 Kuningan 0,092 Tembaga 0,0924 Kayu 0,41 Emas 0,0308 Glas 0,200 Besi 0,107 Es (-5 C) 0,50 Timbal 0,0305 Alkohol 0,58 Perak 0,056 Air Raksa 0,033 Silikon 0,056 Air (15 C) 1,00 7. KALOR LATEN Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah Q = m L dimana L adalah kalor laten. 8. PERPINDAHAN KALOR Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal. Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi. 8.1. Konduksi Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi. Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudi yang makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas. T2 T1 T1 Aliran kalor A x Bila T2 dan T1 dipertahankan terus besarnya, maka kesetimbangan termal tidak akan pernah tercapai, dan dalam keadaan mantap/tunak (stedy state), kalor yang mengalir persatuan waktu sebanding dengan luas penampang A, sebanding dengan perbedaan temperatur T dan berbanding terbalik dengan lebar bidang x Q/t = H  A T/x Untuk penampang berupa bidang datar : T1 T2 L H = - k A (T1 - T2 ) / L k adalah kondutivitas termal. Konduktivitas termal untuk beberapa bahan : Bahan k (W/m.Co) Bahan k (W/m.Co) Aluminium 238 Asbestos 0,08 Tembaga 397 Concrete 0,8 Emas 314 Gelas 0,8 Besi 79,5 Karet 0,2 Timbal 34,7 air 0,6 Perak 427 kayu 0,08 udara 0,0234 Untuk susunan beberapa bahan dengan ketebalan L1, L2,, ... dan konduktivitas masing-masing k1, k2,, ... adalah : H = A (T1 - T2 )  (L1/k1) k1 k2 T1 L1 L2 T2 8.2. Konveksi Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila perpindahannya dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (natural convection) dan bila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection). Besarnya konveksi tergantung pada : a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A). b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T). c. koefisien konveksi (h), yang tergantung pada : # viscositas fluida # kecepatan fluida # perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida # kapasitas panas fluida # rapat massa fluida # bentuk permukaan kontak Konveksi : H = h x A x T 8.3. Radiasi Pada proses radiasi, energi termis diubah menjadi energi radiasi. Energi ini termuat dalam gelombang elektromagnetik, khususnya daerah inframerah (700 nm - 100 m). Saat gelombang elektromagnetik tersebut berinteraksi dengan materi energi radiasi berubah menjadi energi termal. Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah : E = e T4. dimana  : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4. e : emitansi (0  e  1) 9. Kalorimeter Kalorimeter adalah suatu wadah tertutup yang dirancang supaya tidak ada kalor yang keluar ataupun masuk ke dalam wadah. (Dalam kenyataan sebenarnya, tetap ada kalor yang keluar dari sistem, tetapi pada percobaan ini kalor yang keluar tersebut diabaikan). Jika dua macam cairan yang berbeda suhunya dicampurkan ke dalam suatu kalorimeter, maka dalam suatu waktu tertentu, suhu dalam sistem akan setimbang sesuai dengan asas Black : Kalor yang diterima berasal dari cairan yang suhunya lebih tinggi dan diserap oleh cairan yang suhunya lebih rendah dan juga diserap oleh kalorimeter (kalor dianggap tidak ada yang mengalir ke lingkungan), sehingga asas Black dapat menjadi : Dengan : ma = massa air panas (gr) ta = suhu air panas (0C) mb = massa air dingin (gr) tb = suhu air ledeng (0C) cair = kalor jenis air (kal gr-1 0C-1) tk = suhu setelah mencapai kesetimbangan (0C) Ck = kapasitas kalor kalorimeter (kal 0C-1) Jika bahan dalam dari Kalorimeter adalah alumunium, maka nilai kalor jenis alumunium (cAl) dapat dicari jika massa kalorimeter (mk) dan Kapasitas Kalor kalorimeter (Ck) telah diketahui : Dengan : Ck = kapasitas kalor kalorimeter (kal 0C-1) mk = massa kalorimeter (gr) cAl = kalor jenis Alumunium (kal gr-1 0C-1) 10. Efek Rumah Kaca Efek rumah kaca, pertama kali ditemukan oleh Joseph Fourier pada 1824, merupakan sebuah proses di mana atmosfer memanaskan sebuah planet. Mars, Venus, dan benda langit beratmosfer lainnya (seperti satelit alami Saturnus, Titan) memiliki efek rumah kaca, tapi artikel ini hanya membahas pengaruh di Bumi. Efek rumah kaca dapat digunakan untuk menunjuk dua hal berbeda: efek rumah kaca alami yang terjadi secara alami di bumi, dan efek rumah kaca ditingkatkan yang terjadi akibat aktivitas manusia (lihat juga pemanasan global). Yang belakang diterima oleh semua; yang pertama diterima kebanyakan oleh ilmuwan, meskipun ada beberapa perbedaan pendapat. Penyebab. Efek rumah kaca disebabkan karena naiknya konsentrasi gas karbondioksida (CO2) dan gas-gas lainnya di atmosfe r. Kenaikan konsentrasi gas CO 2 ini disebabkan oleh kenaikan pembakaran bahan bakar minyak (BBM), batu bara dan bahan bakar organic lainnya yang melampaui kemampuan tumbuhan -tumbuhan dan laut untuk mengabsorbsinya. Energi yang masuk ke bumi mengalami : 25% dipantulkan oleh awan atau partikel lain di atmosfer 25% diserap awan 45% diadsorpsi permukaan bu mi 5% dipantulkan kembali oleh permukaan bumi. Energi yang diadsoprsi dipantulkan kembali dalam bentuk radiasi infra merah oleh awan dan permukaan bumi. Namun sebagian besar infra merah yang dipancarkan bumi tertahan oleh awan dan gas CO 2 dan gas lainnya, untuk dikembalikan ke permukaan bumi. Dalam keadaan normal, efek rumah kaca diperlukan, dengan adanya efek rumah kaca perbedaan suhu antara siang dan malam di bumi tidak terlalu jauh berbeda. Selain gas CO 2, yang dapat menimbulkan efek rumah kaca adalah su lfur dioksida (SO2), nitrogen monoksida (NO) dan nitrogen dioksida (NO2) serta beberapa senyawa organik seperti gas metana (CH 4) dan khloro fluoro karbon (CFC). Gas -gas tersebut memegang peranan penting dalam meningkatkan efek rumah kaca. 11. Dampak pemanasan global Menurut perkiraan, efek rumah kaca telah meningkatkan suhu bumi rata-rata 1-5°C. Bila kecenderungan peningkatan gas rumah kaca tetap seperti sekarang akan menyebabkan peningkatan pemanasan global antara 1,5-4,5°C sekitar tahun 2030. Dengan meningkatnya konsentrasi gas CO 2 di atmosfer, maka akan semakin banyak gelombang panas yang dipantulkan dari permukaan bumi diserap atmosfer. Hal ini akan mengakibatkan suhu permukaan bumi menjadi meningkat. Mekanisme terjadinya efek rumah kaca adalah sebagai berikut (gambar 1). Bumi secara konstan menerima energi, kebanyakan dari sinar matahari tetapi sebagian juga diperoleh dari bumi itu sendiri, yakni melalui energi yang dibebaskan dari proses radioaktif (Holum, 1998:237). Sinar tampak dan sinar ultraviolet yang dipancarkan dari matahari. Radiasi sinar tersebut sebagian dipantulkan oleh atmosfer dan sebagian sampai di permukaan bumi. Di permukaan bumi sebagian radiasi sinar tersebut ada yang dipantulkan dan ada yang diserap oleh permukaan bumi dan menghangatkannya. Akibat meningkatnya suhu permukaan bumi akan mengakibatkan adanya perubahan iklim yang sangat ekstrim di bumi. Hal ini dapat mengakibatkan terganggunya hutan dan ekosistem lainnya, sehingga mengurangi kemampuannya untuk menyerap karbon di oksida di atmosfer. Pemanasan global mengakibatkan mencairnya gunung-gunung es di daerah kutub yang dapat menimbulkan naiknya permukaan air laut. Efek rumah kaca juga akan mengakibatkan meningkatnya suhu air laut sehingga air laut mengembang dan terjadi kenaikan permukaan laut yang mengakibatkan negara kepulauan akan mendapatkan pengaruh yang sangat besar.