Materi Kelas VII : Kalor

Pada pelajaran fisika di SMP kelas 7 salah satu materi fisika yang dipelajari adalah tentang  kalor. materi ini sangat erat kaitannya dalam kehidupan sehari-hari baik yang menguntungkan ataupun yang merugikan, banyak sekali manfaat yang bisa kita ambil dari belajar kalor. materi ini dibuat berdasarkan apa yang saya pahami selama belajar fisika dan diambil dari berbagai sumber yang relevan. selamat menikmati...

KALOR

Kalor (panas) adalah aliran energi panas dari satu benda ke benda lain karena perbedaan suhu antara keduanya, secara alami kalor akan berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Satuan kalor dapat dinyatakan dalam sistem MKS yaitu joule (J) atau dalam sistem CGS yaitu kalori. Satu kalori sebagai jumlah transfer energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g air dari 14,5 ° C menjadi 15,5 ° C

1 J = 0,24 kal

1 kal = 4,2 J

Konversi satuan kalori menjadi joule di atas merupakan hasil percobaan yang dilakukan oleh James Prescott Joule (1818 – 1889) seorang fisikawan asal inggris, menggunakan alat eksperimen seperti gambar berikut;

Gambar 1. Percobaan Joule untuk menentukan bahwa energi mekanik setara dengan energi kalor. Balok yang jatuh ke bawah membuat dayung berputar sehingga menyebabkan suhu air meningkat

Sumber : Fundamentals of Physics

Sistem yang digunakan adalah air dalam wadah yang terisolasi secara termal. Percobaan ini dilakukan di dalam air dengan roda dayung yang berputar, yang digerakkan oleh balok-balok berat jatuh dengan kecepatan konstan. Air yang diaduk menjadi hangat karena gesekan di antara keduanya dan dayung. Jika energi yang hilang di bantalan dan melalui dinding diabaikan, maka hilangnya energi potensial balok sama dengan energi yang dihasilkan roda dayung di dalam air. Jika dua blok jatuh melalui jarak h, kehilangan energi potensial adalah 2mgh, di mana m adalah massa satu blok; energi inilah yang menyebabkan suhu air meningkat. Dengan memvariasikan kondisinya percobaan, Joule menemukan bahwa hilangnya energi mekanik 2mgh sebanding dengan peningkatan suhu air T. Konstanta proporsionalitas adalah ditemukan sekitar 4,18 J / g ° C. Oleh karena itu, 4,18 J energi mekanik meningkatkan suhu 1 g air sebesar 1 ° C. Pengukuran yang lebih tepat dilakukan kemudian menunjukkan proporsionalitas menjadi 4,186 J / g ° C.

Pengaruh kalor terhadap benda ada dua yakni benda tersebut dapat mengalami perubahan suhu atau benda tersebut dapat mengalami perubahan wujud

Perubahan suhu

Jika suatu benda mendapatkan kalor (dipanasi) maka suhu benda tersebut akan semakin tinggi, sebaliknya jika suatu benda kehilangan kalor (didinginkan) maka suhu benda tersebut akan semakin rendah. Kalor yang digunakan untuk mengubah suhu suatu benda disebut dengan kalor sensibel. Besarnya kalor sensibel ini dipengaruhi sebanding dengan massa benda, kalor jenis benda, dan perubahan suhu benda tersebut. Secara matematis dapat ditulis:

Q = m . c . ΔT

Jurus jitu :

Agar lebih mudah di hafal, dapat dibuat sebuat kata yakni “Q=MaCet”

Q ; kalor (J)

m : massa (kg)

c : kalor jenis benda (J/kg.⁰C)

ΔT : perubahan suhu (⁰C)

Perubahan suhu ini, dapat ditentukan dengan cara suhu akhir – suhu awal

Kalor jenis benda

Kalor jenis benda didefinisikan sebagai energi dipindahkan ke 1 kg zat yang menyebabkan suhunya meningkat sebesar 1 K. Berikut tabel kalor jenis untuk beberapa benda

Kalor jenis benda pada suhu 250C dan tekanan atmosfer
Jenis benda	Kalor jenis (c)
	J/kg.0C	cal/g.0C
Logam
Aluminum	900	0,215
Berilium	1830	0,436
Cadmium	230	0,055
Tembaga	387	0,0924
Germanium	322	0,077
Emas	129	0,0308
Besi	448	0,107
Timah	128	0,0305
Silikon	703	0,168
Perak	234	0,056
Kuningan	380	0,092
Non logam
Kaca	837	0,200
Es (-50C)	2090	0,50
Marmer	860	0,21
Kayu	1700	0,41
Zat cair
Alkohol	2400	0,58
Merkuri	140	0,033
Air (150C)	4186	1,00

Sumber : fundamentals of physics

Berdasarkan tabel di atas, maka kita dapat mengetahui bahwa tiap benda memiliki nilai kalor jenis yang berbeda-beda, sebagai contoh aluminium memiliki kalor jenis sebesar 900 J/kg⁰C hal ini memiliki penjelasan bahwa dibutuhkan energi kalor sebesar 900 J untuk menaikkan suhu 1 kg aluminium sebesar 1⁰C, emas yang memiliki kalor jenis sebesar 129 J/kg⁰C artinya dibutuhkan energi kalor sebesar 129 J untuk menaikkan suhu 1 kg emas sebesar 1⁰C.

Catatan:

Semakin besar kalor jenis suatu benda, maka benda semakin susah dipanasi (butuh kalor yang lebih besar). Hal ini berarti benda tersebut semakin bersifat isolator. Begitu pula sebaliknya semakin kecil kalor jenis suatu benda, maka benda semakin mudah dipanasi (butuh kalor yang lebih kecil). Hal ini berarti benda tersebut semakin bersifat konduktor.

Berdasarkan hal tersebut maka dapat dikatakan bahwa emas (c_emas 129 J/kg⁰C) lebih bersifat konduktor daripada aluminium (c_aluminium = 900 J/kg⁰C)

Kapasitas kalor

Kapasitas panas C suatu zat didefinisikan sebagai jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sampel sebesar 1 ⁰C. Berdasarkan definisi tersebut maka persamaan kalor di atas dapat ditulis sebagai berikut:

Q = C . ΔT

Perubahan wujud

Suatu zat pada ketika telah mencapai titik leburnya dan terus diberikan kalor, maka kalor tersebut tidak digunakan untuk mengubah suhu dari benda tersebut akan tetapi digunakan untuk mengubah wujud benda. Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud benda disebut dengan kalor laten.

Suatu zat dapat mengalami perubahan wujud jika  benda tersebut menerima kalor atau melepaskan kalor. Agar lebih mudah dalam memahaminya perhatikan diagram berikut.

Keterangan:

1 : mencair (memerlukan kalor / panas)

2 : membeku (melepaskan kalor / panas)

3 : menguap (memerlukan kalor / panas)

4 : mengembun (melepaskan kalor / panas)

5 : menyublim (memerlukan kalor/ panas)

6 : menyublim (melepaskan kalor / panas)

Saat terjadi perubahan wujud benda dari satu bentuk ke bentuk yang lain terjadi juga perubahan susunan partikel dan gerak partikel dari benda tersebut. Berikut gambar terkait dengan gerak partikel pada masing-masing wujud

 Sumber : Oxford IB Diploma Progamme : physics

Kalor laten ada dua jenis yakni kalor laten yang digunakan untuk proses melebur (dari zat padat ke zat cair) atau sebaliknya yaitu proses membeku (dari zat cair ke zat padat) dan kalor laten yang digunakan untuk proses menguap (dari zat cair ke zat gas) atau sebaliknya yaitu proses mengembun (dari zat gas ke zat padat).

Kalor laten yang digunakan untuk proses melebur secara matematis dapat ditentukan dengan persamaan

Q_L = m . L

Dimana L adalah kalor lebur zat (J/kg)

Kalor laten yang digunakan untuk proses menguap secara matematis dapat ditentukan dengan persamaan

Q_L = m . U

Suatu zat yang menerima kalor (dipanasi) atau melepaskan kalor (didinginkan) akan mengalami beberapa proses perubahan suhu dan perubahan wujud seperti yang digambarkan pada grafik di bawah ini.

Gambar 2. Grafik perubahan suhu terhadap waktu

(sumber : physics study and revision guide)

Berdasarkan grafik di atas, perubahan suhu yang terjadi dapat menyebabkan perubahan suhu (grafik yang miring) dan perubahan wujud (grafik yang lurus)

Grafik perubahan wujud air

Salah satu fenomena yang sering dibahas di dalam kelas adalah grafik suhu terhadap waktu untuk perubahan wujud air seperti yang terlihat di bawah ini

Gambar 3. Grafik suhu terhadap waktu untuk air

Berdasarkan grafik di atas, jumlah kalor yang diperlukan bergantung pada proses yang terjadi misalkan

Q_AC = Q₁ + Q₂

Q_AC = m_es c_es ΔT_es + m_es L_es

Q_BE = Q₂ + Q₃ + Q₄

Q_BE = m_es L_es + m_air c_air ΔT_air + m_air U_air

Tips:

1. Perhatikan satuan dari kalor jenis yang digunakan dalam soal. Jika dalam J/kg⁰C maka massa benda juga harus dalam kg, dan jika satuan kalor jenis benda dalam kal/g⁰C maka massa benda dalam gram.

2. Semakin besar kalor jenis suatu benda, maka benda tersebut semakin susah untuk dipanaskan.

3. Perhatikan juga kalor jenis yang digunakan, harus sesuai dengan bentuk zatnya

4. Perhatikan perubahan suhu pada persamaan di atas, harus sesuai dengan kalor yang diakan dihitung.

  

baca juga : 
materi kelas 7: besaran dan pengukuran; suhu dan pemuaian
materi kelas 9: listrik statis

Asas black

Jika ada dua benda yang berbeda suhunya di campur atau saling bersentuhan maka benda yang bersuhu tinggi akan kehilangan kalor sehingga suhunya menurun dan benda yang bersuhu rendah akan mendapatkan kalor sehingga suhunya akan meningkat. Konsep ini pertama kali dikemukakan oleh joseph black (1728  - 1799) seorang fisikawan asal skotlandia pada tahun 1760 yang dikenal sebagai asas black. Secara umum asas black berbunyi “jumlah kalor yang dilepaskan benda bersuhu tinggi sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh benda bersuhu rendah” dan secara matematis dapat ditulis :

Q_lepas = Q_terima

Perlu di perhatikan bahwa kalor yang diterima oleh benda bersuhu rendah bisa digunakan untuk mengubah suhu atau mengubah wujud dan suhu. Perpindahan kalor dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah akan terus terjadi hingga kedua benda mencapai kesetimbangan termal (ketika tidak terjadi perubahan suhu lagi), seperti yang terlihat pada grafik di bawah ini.

Gambar 4. Grafik suhu terhadap waktu untuk  perpindahan kalor

(sumber : physics study and revision guide)

Berdasarkan grafik di atas, garis berwarna merah adalah benda dengan suhu yang lebih tinggi dan garis yang berwarna biru adalah benda bersuhu rendah. Benda yang awalnya bersuhu tinggi akan mengalami penurunan suhu (melepaskan kalor) hingga suatu saat suhunya menjadi konstan sedangkan benda yang awalnya bersuhu rendah akan mengalami peningkatan suhu (menerima kalor) hingga suatu saat suhunya menjadi konstan. Suhu konstan yang dicapai kedua benda ini disebut dengan kesetimbangan termal.

Perpindahan kalor

Perpindahan kalor dapat terjadi karena adanya perbedaa suhu. Berdasarkan mediumnya perbedaan kalor dapat dibedakan menjadi tiga yakni: konduksi, konveksi, dan radiasi.

Konduksi (hantaran) merupakan perpindahan kalor tanpa disertai dengan perpindahan mediumnya . biasanya terjadi pada zat padat. Contoh peristiwa konduksi:

·      Salah satu ujung sendok terasa panas, ketika ujung lainnya dipanaskan

·      Panci bagian atas terasa panas, ketika diletakkan diatas kompos yang menyala

Konveksi (aliran) merupakan perpindahan kalor yang disertai dengan perpindahan mediumnya dan biasanya terjadi pada zat cair dan zat gas. Contoh peristiwa konveksi:

Angin darat adalah angin yang bergerak dari darat ke laut, terjadi pada waktu malam hari (udara didarat lebih cepat dingin daripada dilaut). Angin ini digunakan oleh nelayan untuk berangkat melaut.

Angin laut adalah angin yang bergerak dari laut ke darat, terjadi pada waktu siang hari (udara didarat lebih cepat panas daripada dipermukaan laut). Angin ini biasanya digunakan oleh nelayan untuk pulang.

Udara yang dipanaskan

Air yang dipanaskan

Radiasi (pancaran) merupakan perpindahan kalor tanpa medium (kalor dipindahkan sebagai gelombang elektromagnetik). Contoh peristiwa radiasi adalah panas matahari sampai ke bumi (panas matahari melewati ruang hampa udara)

Perubahan bentuk energi listrik menjadi energi kalor

Energi kalor merupakan salah satu bentuk energi yang banyak kita temui dalam kehidupan sehari-hari, sering kali energi kalor dihasilkan dari bentuk energi lain atau justru membentuk energi lain. Salah satu contoh adalah perubahan energi listrik menjadi energi kalor. Perubahan ini biasanya dimanfaatkan dalam peralatan elektronika seperti setrika, heater, maupun kompor listrik.

Berdasarkan hukum kekekalan energi, jumlah energi listrik yang dilepaskan semuanya akan berubah menjadi energi kalor, sehingga terjadi kesetaraan antara kedua energi tersebut. Kesetaraan antara energi listrik dan energi kalor dapat dilihat pada persamaan berikut ini.

W_lis = Q

P .  t = m . c . ΔT

Keterangan :

P : daya listrik (watt)

t : waktu (s)

m : massa (kg)

c : kalor jenis (J/kg ⁰C)

ΔT : perubahan suhu (⁰C)

Akan tetapi dalam kenyataannya tidak semua energi listrik yang dikeluarkan menjadi energi panas, sehingga ada faktor efisiensi dari sebuah peralatan elektronika. Semakin besar efisiensi suatu alat elektronika, maka jumlah energi kalor yang dihasilkan semakin mendekati jumlah energi listrik yang dikeluarkan. Konsep efisiensi ini dapat dilihat pada persamaan berikut

Energi input adalah energi awal sebelum berubah (dalam hal ini adalah energi listrik) sedangkan energi output adalah energi akhir setelah mengalami perubahan.

Ingatan :

Dalam konsep energi listrik menjadi energi kalor ini perlu diperhatikan bahwa satuan dari energi listrik harus sama dengan satuan energi kalor. Jika energi listrik dalam Joule dan energi kalor dalam kal, maka salah satu harus dikonversi dulu

untuk melengkapi pemahamannya tentang materi ini silahkan di baca latihan soal dan pembahasan kalor (fisika kelas 9)

Sumber :

Halliday, D. Dan Resnick, R. 2008, Fundamental of Physics 8th edition, John Wiley and sons, Inc

Tsokos, K, A, 2014. Physics for the IB Diploma Sixth Edition, Cambrige University press’s

Homer, D. Dan Micahel, B, J. 2014, 2014 edition Physics Course Companion. Oxford university press

Allum, J. 2017. Physics Study and Revision Guide. Hodder Education.