- Pemahaman tentang kalor
Berdasarkan pengertian yang ditulis dalam Kamus Besar Bahasa Indonesia, kalor adalah tenaga panas yang dapat diterima dan diteruskan oleh satu benda ke benda lain secara hantaran (konduksi), penyinaran (radiasi), atau aliran (konveksi). Kalor juga disebut sebagai energi panas yang berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah. Dalam satuan internasional, kalor dinyatakan dengan Joule (J), satuan lainnya dikenal dengan kalori (kal) yang biasa digunakan di bidang gizi. Satu kalori adalah jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air hingga naik sebesar 1 derajat selsius (oC). Satu kalori = 4,184 J atau sering dibulatkan menjadi 4,2 J. Kalor didefinisikan juga sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda umumnya dilakukan dengan mengukur suhu benda tersebut. Air panas jika dibiarkan lama-kelamaan akan dingin, sebab kalor yang ada di dalamnya dilepaskan ke lingkungan sekitar air. Yang mempengaruhi kenaikan atau penurunan suhu benda adalah jumlah kalor, massa benda dan jenis benda.
Secara alami, kalor dengan sendirinya berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan kalor cenderung menyamakan suhu benda yang saling bersentuhan. Pada abad ke-18, para fisikawan menduga bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida adalah zat yang dapat mengalir. Fluida meliputi zat cair dan zat gas. Air (zat cair) termasuk fluida karena dapat mengalir.
Udara juga termasuk fluida karena dapat mengalir. Fluida tersebut dinamakan caloric. Teori mengenai caloric tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan caloric ini tidak bisa dibuktikan. Jika suhu suatu benda tinggi, maka kalor yang dikandung oleh benda tersebut sangat besar. Begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit.Besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor: massa zat, jenis zat (kalor jenis), perubahan suhu. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan:
Q = m.c.(t2 – t1)
Keterangan:
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 menaikkan atau menurunkan suhu. Semakin besar kenaikan suhu, kalor yang diterima semakin banyak. Semakin kecil kenaikan suhu maka kalor yang diterima semakin sedikit. Artinya, hubungan kalor (Q) berbanding lurus atau sebanding dengan kenaikan suhu (∆ T), jika massa (m) dan kalor jenis zat (c) tetap.
Contoh Soal dan Pembahasan
Soal 1
Air Sebanyak 2 kg bersuhu 40 oC akan dipanaskan hingga suhu 70 oC. Jika diketahui kalor jenis air 4.186 j/kgoC, Berapakah kalor yang diserap oleh air tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 2 kg
c = 4.186 j/kgoC
∆T = (70 – 40)oC = 30oC
Ditanyakan:
Q = ?
Jawab:
Q = mc∆T
Q = 2 x 4.186 j/kgoC x 30oC
Q = 251.160 J
Soal 2
Air Sebanyak 300 gram bersuhu 24 oC akan dipanaskan dengan energi sebanyak 1500 kalori. Jika diketahui kalor jenis air 1kal/goC, Berapakah suhu air tersebut setelah dipanaskan?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 300 gram
T0 = 24 oC
cair = 1 kal/goC
Q = 1.500 kal
Ditanyakan:
T = ?
Jawab:
Perubahan temperatur artinya, selisih antara temperatur semula dengan temperatur setelah pemanasan, sehingga bisa dihitung dengan;
∆T = T – T0
5oC = T – 24oC
T = 29oC
Jadi suhu akhir setelah pemanasan air tersebut yaitu 29oC
Soal 3
Berapakah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebuah logam perak yang massanya 8 kg dari 20oC hingga suhu 120 oC. Jika diketahui kalor jenis perak 230 J/kgoC?.
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 8 kg
T1 = 20oC
T2 = 120 oC
c = 230 J/kgoC
Ditanyakan:
Q = ?
Jawab:
Q = mc∆T
Q = mc(T2 – T1)
Q = 8 x 230 x 100 oC
Q = 184.000 j = 184 KJ
Jadi, Kalor yang di butuhkan untuk menaikkan suhu logam tersebut yaitu sebanyak 184 KJ
Soal 4
Sebanyak 450 gram air dipanaskan dari suhu 45 oC menjadi 65 oC. Jika diketahui kalor jenis air 1kal/goC atau 4.200 J/Kg K, tentukanlah;
a). Banyaknya kalor yang diterima air dalam kalori
b). Banyaknya kalor terima air dalam Joule
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 450 g = 0,45 Kg
∆T = (65 – 45)oC = 20oC
c = 1kal/goC = 4.200 J/Kg K
Ditanyakan:
Q = dalam Kalor dan Joule?
Jawab:
- a) Menentukan jumlah kalor terima dalam kalori;
Q = mc∆T
Q = 450 gram x 1kal/goC x 20oC
Q = 9.000 Kalori
Jadi banyaknya kalori yang diterima air tersebut yaitu sebesar 9.000 kalori.
- b) Menentukan jumlah kalor terima dalam joule;
Q = mc∆T
Q = 0,4 Kg x 4.200 J/Kg K x 20oK
Q = 9.000 Kalori
Q = 37.800 Joule
Catatan: Perubahan suhu dari celcius ke kelvin adalah sama, sehingga tidak perlu melakukan konversi satuan terlebih dahulu.
Dan untuk menyetarakan antara kalori dan joule bisa dilakukan dengan;
1 kalori = 4,2 joule sehingga,
Q = 9.000 x 4,2 joule = 37.800 Joule
Jadi banyaknya kalori yang diterima air tersebut yaitu sebesar 37.800 Joule
Soal 5
Kalor yang diperlukan oleh 2 kg zat untuk menaikkan suhunya dari 25oC sampai 60oC adalah 27,3 KJ. Berapakah kalor jenis zat tersebut?
Penyelesaian:perlukan oleh
Diketahui:
m = 2 kg
∆T = 60oC – 25oC = 35oC
Q = 27,3 KJ = 27.300 J
Ditanyakan:
c = ?
Jawab:
Jadi, kalor jenis zat tersebut adalah sebesar 390 J/KgoC
Soal 6
Air Sebanyak 500 g bersuhu 35 oC, apabila air tersebut diberi kalor sebanyak 100 KKal. Berapakah suhu air tersebut sekarang?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 500 g = 0,5 Kg
T0 = 35 oC
cair = 4.200 J/KgoC
Q = 100 Kkal = 4,2 × 105 J
Ditanyakan:
T = ?
Jawab:
∆T = 200oC – 35oC = 165oC
Jadi, suhu air tersebut sekarang adalah 165oC
Soal 7
Sebuah logam seberat 2 Kg ber suhu 40 oC. untuk menaikkan suhunya agar menjadi 90 oC, dibutuhkan kalor sebesar 5 x 104 kal. berapakah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu logam tersebut menjadi 140oC ?.
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 4 kg = 2000 g
∆T1 = 90 oC – 40oC = 50oC ➜ Q1 = 5 × 104 kal
∆T1 = 140 oC – 40oC = 100oC ➜ Q2 = ?
Ditanyakan:
Q2 = ?
Jawab:
Kalor jenis benda bisa ditentukan dari keadaan pertama, yakni;
Q1 = mc∆T1
5 × 104 = 2.000 x c x 50
5 × 104 = 100.000 c
c = 5 × 104 / 105
c = 5 x 10-1
c = 0,5 kal/goC
Jadi, kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu ∆T2 yaitu sebanyak;
Q2 = mc∆T2
Q2 = 2.000 x 0,5 x 100
Q2 = 100.000
Q2 = 105 Kal
Konsep Perbandingan
Kalor untuk menaikkan suhu adalah sebanding dengan kenaikan suhunya ;
Q ~ ∆T
Sehingga diperoleh;
Soal 8
Berapakah kalori yang diperlukan untuk memanaskan 4 liter air dari 45oC menjadi 75oC, jika massa jenis air 1 gram/cm3, dan kalor jenis air nya 1 kal/goC?
Penyelesaian:
Diketahui:
V = 4 liter = 4 x 103 cm3
∆T = 95oC – 45oC = 25oC
ρ = 1 gram/cm3
c = 1 kal/goC
Ditanyakan:
Q = ?
Jawab:
m = ρ x V = 1 x 4 x 103 = 4 x 103 gram
Q = mc∆T
Q = (4 x 103)(1 kal/goC)(25oC)
Q = 105 Kalori
Soal 9
Berapakah kapasitas kalor dari 8 kg suatu zat yang memiliki kalor jenis 4 kal/goC?
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 8 kg = 8.000 g
c = 4 kal/goC
Ditanyakan:
C = ?
Jawab:
C = m x c
C = 8.000 g x 4 kal/goC
C = 32.000 kal/oC
Soal 10
Air yang awalnya bersuhu 15oC dipanaskan sampai suhunya menjadi 40oC. jika kapasitas kalor air tersebut sebesar 12.558 J/oC, berapakah kalor yang diserap oleh air tersebut?
Penyelesaian:
Diketahui:
∆T = 40oC – 15oC = 25oC
C = 12.558 J/oC
Ditanyakan:
Q = ?
Jawab:
Pada persamaan pertama kita memperoleh;
Q = C x ∆T
Q = 12.558 J/oC x 25oC
Q = 313.950 joule.
- Temperature
Suhu memiliki empat buah satuan yaitu kelvin, celcius, reamur, dan juga fahrenheit. Dilansir dari Encyclopedia Britannica, kelvin merupakan satuan internasional untuk pengukuran ilmian. Namun, satuan celcius umum digunakan di banyak negara. Suhu dari satu satuan bisa diubah atau dikonversi menjadi satuan lainnya.
Contoh soal 1 Pada termometer celcius, titik didih air adalah 100 derajat C. Pada termometer fahrenheit nilai ini sama dengan …
Jawaban: Untuk menjawab soal tersebut, kita harus mengonversi suhu dari satuan celcius ke satuan Fahrenheit dengan rumus sebagai berikut: T (°F) = 9/5 T (°C) + 32 = 9/5 x 100 + 32 = 9 x 20 + 32 = 212°F
Sehingga ketika termometer celcius menunjukkan 100°C, maka termometer fahrenheit menunjukkan 212°F.
Contoh soal 2 Jika suhu benda 75°C maka suhu benda tersebut dalam kelvin adalah …
Jawaban: Dilansir dari Physics LibreTexts, suhu terendah didefinisikan sebagai 0 kelvin dan dalam celcius berarti -273,15°C. Sehingga, rumus konvernsi suhu dari celcius ke kelvin adalah sebagai berikut: T (K) = T (°C) + 273 = 75 + 273 = 348 K Perlu diingat bahwa satuan Kelvin tidak menggunakan derajat (°) seperti satuan suhu lainnya.
Contoh soal 3 Suhu gas dalam ruangan 305 K jika dinyatakan dalam skala reamur adalah … Jawaban: Untuk menjawab soal tersebut, kita harus mengonversi suhu dari satuan kelvin ke satuan reamur dengan persamaan sebagai berikut: T (°R) = 4/5 (K – 273) = 4/5 (305 – 273) = 4/5 (32) = 125 : 5 = 25,6 °R
Contoh soal 4 Suhu badan seseorang 40 derajat celcius apabila diukur dengan termometer reamur menunjukkan angka … Jawaban: Untuk menjawab pertanyaan tersebut, kita dapat menggunakan rumus konversi suhu dari skala celcius ke skala reamur sebagai berikut: T (°R) = 4/5 x T (°C) = 4/5 x 40 = 160 : 5 = 32 Sehingga, suhu 40°C sama dengan suhu 32°R pada termometer reamur.
- KESEIMBANGAN THERMAL
Kesetimbangan termal adalah keadaan yang dicapai oleh dua (atau lebih) sistem yang dicirikan oleh keterbatasan harga koordinat sistem itu setelah sistem saling berantaraksi melalui dinding diaterm.
Kesetimbangan termal hanya mengacu pada transfer energi panas antara dua suhu yang berbeda, mematuhi “Hukum nol termodinamika.” Penjelasan rinci tentang contoh kesetimbangan termal diberikan di bagian ini.
Molekul udara sekitar
Molekul udara di sekitarnya adalah contoh kesetimbangan termal yang sesuai karena molekul udara mencapai suhu yang sama dengan suhu sekitarnya dan berada dalam kesetimbangan dengan alam. Suhu sekitarnya ditransfer ke molekul udara untuk menyeimbangkan suhu.
Air panas dalam termos
Termos termos adalah sistem terisolasi, sehingga tidak akan ada aliran panas keluar dari sistem. Ini adalah salah satu termal yang baik contoh keseimbangan ketika air panas dituangkan ke dalam termos. Suhu air dipindahkan ke termos; dengan demikian, keseimbangan terbentuk antara labu dan air. Saat Anda membuka tutup labu, aliran air mengalir keluar karena keseimbangan keseimbangan termal.
Kopi panas dalam cangkir
Jika Anda menuangkan kopi panas ke dalam cangkir dingin, cangkir menjadi panas sama seperti kopi. Panasnya kopi dipindahkan ke cangkir; dengan demikian, kopi berada dalam keseimbangan terhadap cangkir dengan mentransfer suhunya ke cangkir.
Mesin mobil
Ketika mobil dikemudikan untuk waktu yang lama, mesin menjadi panas. Karena mobil tersebut terbelakang dari gerakan dan berada di bawah keadaan stasioner, setelah beberapa waktu, mesin menjadi dingin, dan suhunya menjadi sama dengan suhu di sekitarnya; dengan demikian, keadaan keseimbangan dicapai oleh mesin sehubungan dengan suhu sekitarnya.
Perangkat elektronik
Semua perangkat elektronik memanas saat berjalan. Panas ini tidak permanen. Perangkat mendingin setelah beberapa waktu untuk berada dalam keseimbangan dengan lingkungan sekitarnya, sehingga memenuhi kondisi keseimbangan termal.
Produk disimpan di lemari es
Jika Anda menyimpan produk apa pun semalaman di dalam lemari es, itu menjadi dingin. Dalam hal ini, dinginnya lemari es membuat produk menjadi dingin. Dengan demikian suhu lemari es dan produk akan sama. Oleh karena itu kesetimbangan termal dihasilkan antara lemari es dan produk.
Kelereng dipegang di tangan
Jika Anda memegang kelereng untuk waktu yang lama, suhu tangan Anda dan kelereng akan sama. Ini dapat didefinisikan dengan baik karena kelereng berada dalam kesetimbangan termal dengan tangan karena suhu tangan dipindahkan ke kelereng hingga menjadi sama. Jadi memegang kelereng di tangan adalah salah satu contoh kesetimbangan termal terbaik.
Es dalam segelas air
Ambil segelas air pada suhu kamar dan masukkan beberapa es batu ke dalam air yang sama. Es secara bertahap mencair dengan menukar suhunya dengan air. Pertukaran suhu antara air dan es batu terjadi sampai air dan es mencapai suhu yang sama, sehingga memenuhi kondisi kesetimbangan.
Mencairnya es krim
Jika Anda menyimpan es krim di luar lemari es selama beberapa waktu, es krim akan berinteraksi dengan lingkungan sekitar, dan perpindahan panas akan terjadi. Es krim meleleh hingga suhunya sesuai dengan suhu di sekitarnya. Dengan demikian es krim akan berada dalam kesetimbangan dengan lingkungan memenuhi kesetimbangan termal.
Mentega mencair
Mentega sangat sensitif terhadap suhu. Ketika mentega bersentuhan dengan suhu yang berbeda, mentega meleleh dan mencoba untuk berada dalam keseimbangan dengan sekitarnya. Jadi melelehkan mentega adalah salah satu contoh kesetimbangan termal yang sangat baik.
Pembentukan Gletser
Di kutub, gletser permanen di laut adalah salah satu termal alami contoh keseimbangan. Karena pemanasan global, suhu di dekat laut meningkat dengan cepat; dengan demikian, es mencair, menciptakan gletser. Gletser berada dalam kesetimbangan termal dengan laut di dekat kutub.
Mengukur suhu tubuh dengan termometer
Jika Anda demam, Anda akan memeriksa suhu tubuh Anda menggunakan termometer. Dalam hal ini, suhu tubuh Anda diubah menjadi termometer yang terdiri dari air raksa. Saat panas disuplai, merkuri mulai naik sampai suhu tubuh Anda, dan merkuri menjadi sama. Ketika kedua suhu menjadi sama, tidak akan ada perpindahan panas dari tubuh, dan merkuri yang naik juga dihentikan. Titik di mana merkuri berhenti bergerak dicatat sebagai suhu tubuh Anda. Ketika kontak antara tubuh Anda dan termometer dihilangkan, air raksa mulai bergerak ke bawah dan mengendap pada posisi semula hingga mencapai nol. Dalam kedua kasus, merkuri berada dalam kesetimbangan dengan lingkungan yang diberikan. Sebelum bersentuhan dengan tubuh Anda, termometer harus seimbang dengan lingkungan sekitar. Ketika sampai pada kontak tubuh Anda, keseimbangan termal diatur antara termometer dan tubuh Anda. Setelah dilepaskan dari kontak tubuh Anda, termometer akan mencapai keseimbangan dengan sekitarnya sekali lagi.
Tubuh manusia
Tubuh manusia, setelah mati, akan menjadi dingin karena kesetimbangan termal. Akan terjadi perpindahan panas antara tubuh, dan sekitarnya terjadi untuk menyeimbangkan suhu. Proses ini hanya membutuhkan sedikit waktu setelah kematian untuk mencapai keseimbangan termal.
Tangannya tetap di rel yang dingin
Jika Anda meletakkan tangan Anda di rel yang dingin, tangan Anda menjadi dingin. Dinginnya rel ditransfer ke tangan Anda untuk menyeimbangkan suhu. Setelah suhu tangan Anda dan rel menjadi sama, kesetimbangan termal antara rel dan tangan tercapai.
Memasuki ruangan dengan suhu tertentu
Pernahkah Anda memasuki ruangan ber-AC? Jika pernah, maka Anda pernah mengalami tubuh menjadi dingin atau panas tergantung dari suhu set AC. Tubuh Anda mencapai suhu yang sama dengan AC saat Anda memasuki ruangan. Jadi keseimbangan termal diatur antara Anda dan ruangan.
Mencampur air panas dan air dingin
Ketika Anda mencampur air panas dan air dingin, air panas mentransfer suhunya ke air dingin, dan air dingin memberikan rasa dinginnya ke air panas; dengan demikian, pertukaran suhu di antara mereka terjadi. Proses ini berlangsung sampai tidak ada panas yang tersisa untuk dipertukarkan; dengandemikian, kesetimbangantermal dihasilkan.
- AZAS BLACK DAN HUKUM HOOKE
Asas Black berbunyi pada ruang tertutup, jika ada dua benda yang salah satunya berupa cairan dan berbeda suhu diinteraksikan maka akan terjadi serah terima kalor sampai suhu kedua benda sama. Suhu kedua benda bisa sama ketika mencapai kondisi keseimbangan termal.
Artinya, jika ada dua benda yang memiliki suhu berbeda bersentuhan, maka kalor akan mengalir dari yang suhunya tinggi ke suhu yang rendah.
Dari teori di atas dapat diketahui prinsip asas Black yaitu:
Terjadi aliran atau perpindahan kalor dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah
Benda bersuhu lebih tinggi melepas kalor
Perpindahan kalor berhenti jika terjadi keseimbangan termal yaitu suhu kedua benda sama
Rumus Asas Black
Q lepas = Q serap
Rumus tersebut menjelaskan bahwa, kalor yang diterima sama dengan kalor yang dilepaskan.
Q lepas dalam rumus di atas berarti kalor yang dilepas suatu zat yang memiliki temperatur lebih tinggi. Sedangkan Q serap adalah kalor yang diserap oleh suatu zat yang memiliki temperatur lebih rendah.
Adapun Q = m.c.∆T atau Q = m.c.(t2 – t1)
Keterangan:
Q adalah kalor yang dibutuhkan (J).
m adalah massa benda (kg).
c adalah kalor jenis (J/kgC).
(t2-t1) adalah perubahan suhu (C).
Jadi rumus lengkap asas Black adalah:
Q lepas = Q serap
m1.c1.∆T1= m2.c2.∆T2
m1.c1.(T1-Ta)=m2.c2.(Ta-T2)
Keterangan:
m1 = Massa benda dengan suhu lebih tinggi
c1 = Kalor jenis benda dengan suhu lebih tinggi
T1 = Temperatur benda dengan suhu lebih tinggi
Ta = Temperatur akhir pencampuran kedua benda
m2 = Massa benda dengan suhu lebih rendah
c2 = Kalor jenis benda dengan suhu lebih rendah
T2 = Temperatur benda dengan suhu lebih rendah
Contoh Soal
Sepotong aluminium yang massanya 150 gram dan suhunya 85o C, dimasukkan ke dalam 75 gram air yang suhunya 15o C. Jika kalor jenis aluminium 0,21 kal/groC dan kalor jenis air 1 kal/groC, berapakah suhu akhir campuran?
Jawab
Diketahui:
m aluminium = 150 gram
t aluminium = 85o C
c aluminium= 0,21 kal/gr oC
m air = 75 gr
t air = 15o C
c air = 1 kal/groC
Ditanyakan:
t akhir = ?
Penyelesaian:
Q aluminium = Q air
mAl.cAl.tAl = mair.cair.tair
mAl.cAl.(85-tA)=mair.cair.(tA-15)
150.0,21.(85-tA)=75.1.(tA-15)
2.0,21.(85-tA)=1,1.(tA-15)
0,42.85-0,42.tA=tA-15
35,7-0,42.tA=tA-15
35,7+15=tA+0,42 tA
50,7=1,47 tA
tA= 50,7/1,42= 35,7o C
Dengan menggunakan rumus asas Black, hasil dari penyelesaian soal di atas adalah 35,7o C
E. HUKUM HOOKE
Hukum Hooke adalah hukum yang mengatur hubungan antara besarnya gaya yang dibebankan pada pegas beserta peregangannya. Hukum ini ditemukan oleh seorang ilmuwan asal Inggris, yaitu Robert Hooke. Lalu, apa hubungan hukum Hooke dengan elastisitas? Hukum Hooke hanya berlaku pada benda-benda yang memiliki elastisitas atau kemampuan elastis, contohnya pegas.
Peran hukum Hooke dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut.
- Penggunaan shockbreaker pada sepeda motor. Shockbreaker berfungsi untuk meredam setiap guncangan yang diterima motor.
- Penggunaan per pada kasur spring bed, sehingga kasur tersebut tidak mudah kempes.
- Ketapel bisa ditarik ulur karena menggunakan bahan elastis seperti karet. Semakin panjang tarikan karetnya, semakin besar energi potensial yang dihasilkan.
- Pompa ban sepeda manual bisa dinaikkan dan diturunkan karena di dalamnya terdapat bantalan pegas.
Contoh Soal
Sepeda Maryam memiliki empat buah shockbreaker (peredam kejut). Dua shockbreaker berada di bagian depan dan dua sisanya berada di bagian belakang. Keempat shockbreaker tersebut memiliki konstanta yang sama, yaitu 1.500 N/m. Jika
sepeda tersebut dinaiki Maryam yang massanya 48 kg, berapakah perubahan panjang setiap shockbreakernya?
Pembahasan:
Diketahui:
m = 48 kg
k1 = k2 = k3 = k4 = 1.500 N/m
Ditanya: ∆x =…?
Jawab: Ktotal= 6000N/m
∆x=F/K=480/6000
=0,08 m= 8cm