2.Intro Kalor
of 15
-
Upload
renato-simanjuntak -
Category
Documents
-
view
30 -
download
1
description
Physics
Transcript of 2.Intro Kalor
-
Kuliah Fisika Dasar
Kalor & Perpindahan Kalorv Pendahuluan Dalam kehidupan sehari-hari sering mendengar kata kalor
yang diasosiasikan dengan kata kalori. Apakah kalor dankalori ?
Kalor berasal dari kata caloric pada abad ke-18 dianggapsuatu zat yang dapat mengalir seperti fluida. Teori caloricmenyatakan
Jika benda caloric-nya berkurang maka temperaturturun dan sebaliknya jika caloric-nya bertambahmaka temperaturnya naik.
Kemudian konsep caloric ditinggalkan karena
. Aliran kalor tidak dapat dideteksi
. Beberapa percobaan menyimpang dari teori tsb, misal:pembuatan meriam Count Rumford : gesekan dua logammenghasilkan kalor, Percobaan Joule: kesetaraankalor-mekanik.
Artinya kalor menunjukkan kedekatannya dengan kerja danenergi dan ditimbulkan karena karena ada perbedaantemperatur.
v Jumlah Kalor Kalor suatu benda/material dapat dinyatakan
Q = m c T dQ = m c T (1)[email protected] 1
-
Kuliah Fisika Dasar
Q dalam kilokalori(kkal) atau Joule, m=massa benda,c=kalor jenis benda(J/kgC; kal/grC) dan satuantemperatur adalah C .
Hubungan antara kalor dengan energi mekanik adalah
1 kal = 4, 2 J dan 1 J = 0, 42 kal (2)
v Kapasitas Panas Kapasitas panas didefinisikan sebagai energi yang
dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu materi tiapsatu derajat celsius.
Q = CT C =Q
T(kkal/C) (3)
Kapasitas panas dapat dinyatakan sebagai Kapasitaspanas per mole atau kapasitas panas molar
Cm = Mc M=massa molar atau massa per mol (4)
Maka kapasitas panas untuk n mol zat adalah C = nCm
v Kalor Jenis/Spesifik Kalor spesifik atau dikenal dengan kalor jenis adalah
kapasitas panas per satuan massa
c =Q
mT(kkal/kgC) (5)
-
Kuliah Fisika Dasar
misalnya untuk air
cair = 1 kal/gC = 1 kkal/kgC = 4, 2 kJ/kgC
Untuk satuan Btu(British Thermal Unit)cair = 1 Btu/lb
F.
Zat c(kJ/kgC)
Aluminium 0,900
Tembaga 0,386
Es(-10C) 2,05Alkohol(ethyl) 2,4Air 4,18
Terlihat kalor jenis air lebih besar dibandingkan zat yanglain, sehingga air dimanfaatkan untuk menyimpan energitermal.
Prosedur untuk menentukan kalor jenis suatu zatdinamakan kalorimetri. Umumnya wadahnya berisi air yangdinamakan sebagai kalorimeter. Dengan menggunakanprinsip Black yaitu panas diterima sama dengan panasyang dilepaskan maka kalor jenis suatu zat dapatditentukan.
Contoh 1. Peluru timah dengan massa 600 g dipanaskansampai 100Cdan diletakan dalam kaleng aluminium denganmassa 200 g dan berisi air 500 g. Mula-mula temperaturnya
-
Kuliah Fisika Dasar
17,3C . Jika temperatur akhir adalah 20,0C , berapa kalorjenis timah(cAl = 0, 9 kkal/kgC )Jawab:Panas yang diserap air dan kaleng aluminium adalah
Q = Qa + Qk = macaTa + mkckTk
= (0, 5kg)(4, 18kJ/kgC)(2, 7C)
+ (0, 2kg)(0, 9kJ/kgC)(2, 7C) = 6, 126kJ
Panas yang dilepaskan oleh timah
Qt = mtctT = (0, 6kg)(ct)(80C) = (48 kgC)(ct)
Maka nilai ct =6,12648
= 0, 128 kJ/kgC
v Kalor Laten Umumnya kalor yang diberikan pada suatu zat pada
tekanan tetap akan menaikkan temperatur.
Tetapi ada zat yang menyerap kalor tanpa ada perubahantemperatur. Proses ini terjadi selama perubahan fasa
Perubahan fasa membutuhkan energi, kalor yangdibutuhkan dinyatakan
Q = mL L = kalor laten(kkal/kg) (6)
untuk kalor laten peleburan(Lf ) dan kalor laten
-
Kuliah Fisika Dasar
penguapan(Lv). Misalkan untuk air adalah
Lf = 333, 5 kJ/kg = 79, 7 kkal/kg
Lv = 2, 26 MJ/kg = 540 kkal/kg
Perubahan fasa Nama Kalor laten
Padat Cair Mencair Peleburan
Cair Padat Membeku Pembekuan
Padat Gas Menyublim
Gas Padat Menyublim
Cair Gas Menguap Penguapan
Gas Cair Mengembun Pengembunan
Contoh 2. Berapa kalor yang dibutuhkan jika 1 kg es pada-20Cdipanaskan pada tekanan 1 atm sampai es berubahmenjadi uap? Jika ces = 2, 05 kJ/kgCJawab:Panas untuk menaikan temperatur -20Cmenjadi 0Cadalah
Q1 = mescesT
Kalor perubahan fasa dari es menjadi air
Q2 = mesLf
Panas dibutuhkan menaikan temperatur dari 0Csampai
-
Kuliah Fisika Dasar
100Cadalah
Q3 = maircairT
Panas perubahan fase dari cair menjadi gas adalah
Q4 = mairLv
Maka kalor yang dibutuhkan adalah
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4
v Diagram Fasa Diagram fasa adalah grafik yang menggambarkan
perubahan fase(cair, padat dan gas) dari suatu zat karenaada perubahan tekanan dan temperatur(Gambar 1) dansetiap zat mempunyai diagram fasa yang berbeda-beda.
titik kritis
Titik tripel
Cairan
Padatan
Gas
273,16 373
P(atm)
T(K)
674
1.00,0006
DIAGRAM FASA AIR
A
B C
O
Gambar 1: Diagram fasa untuk air
-
Kuliah Fisika Dasar
Garis OA menggambarkan kesetimbangan antara padatandan gas, garis OB kesetimbangan antara padatan dancairan, dan garis OC kesetimbangan antara cairan dangas. Titik O merupakan kesetimbangan antara cairan,padatan dan gas yang disebut sebagai titik tripel dan titik Cmerupakan titik kritis. Beberapa nilai titik kritis bahan :
Bahan Tc(K)
Argon 150,8
Helium 5,3
Hidrogen 33,3
Oksigen 154,8
Air 674,4
Diatas temperatur kritis atau Tc tidak ada perbedaanantara cairan dan gas
v Kelembaban Kelembaban menggambarkan perubahan tekanan uap air
terhadap tekanan udara.
Prinsipnya menggunakan hukum Dalton yaitu Tekanantotal adalah tekanan parsial dari masing-masing gaspembentuknya.
Jika lebih banyak uap air ditambahkan dalam udara makatekanan uap air akan bertambah. Pada kondisi tekanan
-
Kuliah Fisika Dasar
parsial sama dengan tekanan uap air pada temperaturtertentu dikatakan jenuh. Kemudian terjadi pengembunandan menjadi cairan jika temperaturnya ada di atas titik lelehatau menjadi es jika dibawah titik leleh.
Perbandingan antara tekanan parsial uap air terhadap uappada temperatur tertentu adalah
Kelembaban relatif =tekanan parsial
tekanan uap 100% (7)
Contoh 3. Pada temperatur 20Csuatu tabung logamdidinginkan sehingga terbentuk titik-titik airdipermukaannya. Ini terjadi pada temperatur 15C .Berapa kelembaban relatifnya?Jawab:Pada titik embun 15C , tekanan parsial sama dengantekanan uap air yaitu 1,69 kPa. Sedangkan tekanan uappada temperatur 20Cadalah 2,34 kPa maka kelembabanrelatif adalah sbb
Kelembaban relatif =1, 69 kPa
2, 34 kPa 100% = 72, 2%
Pemaparan Kalor Perpindahan kalor dari benda yang mempunyai temperatur
yang lebih tinggi kepada benda yang temperatur lebihrendah dapat terjadi dalam tiga mekanisme yaituKonduksi, Konveksi dan Radiasi
-
Kuliah Fisika Dasar
v Konduksi Konduksi adalah Perpindahan kalor yang terjadi pada
suatu zat tanpa terjadi perpindahan materinya. Umumnyaterjadi pada zat padat seperti pada logam/konduktor.
Jumlah aliran energi mekanisme konduksi adalah
I =Q
t= kA
T
x(8)
I adalah laju konduksi termis, A adalah penampang, xadalah perubahan panjang dan T adalah perubahantemperatur. k adalah koefisien konduksi termis dansatuannya W/m.K
T1
T2T1 T2A
x
T
>
Q
aliran
kalor
Gambar 2: Prinsip konduksi
Konduksi pada batang yang diatur seri(Gambar 3)Didefinisikan R = x
A ksebagai resistensi termis maka
-
Kuliah Fisika Dasar
batang yang diatur seri dengan masing-masing koefisienkonduksi adalah k1, k2, dan k3 dan tebalnyamasing-masing t1, t2, dan t3 maka resistansi termis totaladalah
Rt = R1 + R2 + R3 =t1k1
+t2k2
+t2k2
(9)
Sehingga aliran kalornya
I =Q
t=
T
Rt(10)
Contoh 4. Sebuah dua kubus logam yaitu timah danperak dengan masing-masing sisinya 2 cmdihubungkandengan temperatur 100Cpada ujung logam timah dantemperatur 0Cpada ujung logam perak. Tentukan alirankalor pada logam-logam tsb dan berapa temperatur padabidang kontak antara logam?Pertama hitung masing-masing resistansi termisnya
Loga
m 1
Loga
m 3
Loga
m 2
Q
A
Gambar 3: Konduksi pada batang seri
-
Kuliah Fisika Dasar
RPb =t1k1
=0, 02 m
(353W/mK)(0, 02m2)
= 0, 142 K/W
RAg =t2k2
=0, 02 m
(429W/mK)(0, 02m2)
= 0, 117 K/W
Rt = R1 + R2 = 0, 259 K/W
I =T
Rt=
100
0, 259= 386 W
Temperatur pada bidang kontak, misal Ts maka
100C Ts = IRPb = (386 W )(0, 142 K/W )
= 54, 8 K = 54, 8C
Ts = 100C 54, 8C = 45, 2C
Untuk batang yang disusun sejajar maka faktor resistansitermisnya menjadi
1
Rt=
1
R1+
1
R2+
1
R3+ (11)
Untuk konduksi pada batang berbentuk silinder denganpanjang L dan jari-jari bagian dalam a dan jari-jari bagianluar b. Laju aliran kalornya
I =Q
t=
2pikL(T1 T2)
ln(
ba
) T1 > T2 (12)
-
Kuliah Fisika Dasar
v Konveksi Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai dengan
perpindahan materinya. Umumnya terjadi pada benda cairdan gas.
Secara matematika persamaan untuk aliran konveksicukup rumit karena dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu:
. Aliran horisontal atau vertikal
. Aliran laminer atau turbulen
. Permukaan rata atau melengkung
. Jenis fluidanya, zat cair atau gas
. Sifat-sifat fluida seperti kerapatan, viskositas, kalor jenis dsb.
. Terjadi evaporasi atau kondensasi
T2 T1
Temperatur TemperaturUdara luar
Bah
an p
enye
kat
Ruang(AC)
QKonv
eksi
Konv
eksi
Gambar 4: Peristiwa konveksi dan konduksi
Secara praktisnya, aliran konveksi dapat dinyatakan
I =Q
t= hA (T1 T2) (T1 > T2) (13)
-
Kuliah Fisika Dasar
h adalah koefisien konveksi. Aliran kalor pada Gambar 4adalah
I =Q
t= Ahudara (T1 T2) (T1 > T2) (14)
v Radiasi Radiasi adalah mekanisme pemaparan kalor suatu sumber
ke benda lain berupa gelombang elektromagnetik(GEM). Laju radiasi dari suatu sumber kalor adalah
I =Q
t= eAT 4 (15)
e adalah emisivitas benda dengan nilai antara 0 < e < 1, adalah konstanta Stefan-Boltzman
= 5, 6703 108 W/m2K4
Laju aliran kalor jatuh ke bumi dari matahari adalah1350 W/m2 dan diterima atmosfir kira-kira sebesar 70%sehingga yang mencapai permukaan bumi dapatdinyatakan
I =(1000 W/m2
)e A cos (16)
dengan adalah sudut antara sinar matahari dan garistegak lurus terhadap luasan.
-
Kuliah Fisika Dasar
Radia
si M
ataha
ri
Permukaan
Ara
h no
rmal
A
SUN
Gambar 5: Aliran radiasi dipermukaan bumi
Contoh 5. Berapa besar energi yang diserap orang yangsedang berjemur dipantai jika matahari membentuk sudut30terhadap arah normal jika e = 0.7 dan luas tubuhterkena matahari adalah 0, 80 m2
Laju aliran radiasi yang diterima orang tersebut adalah
I =(1000 W/m2
)e A cos
= (1000)(0, 7)(0, 8)(cos 30) = 484, 96 W.
Hubungan antara panjang gelombang() dengantemperatur(T ) dikenal dengan hukum pergeseran Wienyaitu
maks =2, 898 mm.K
T(17)
Persamaan(17) dapat dimanfaatkan untuk:[email protected] 14
-
Kuliah Fisika Dasar
. memprediksi temperatur bintang dari analisis radiasinya.
. Memetakan variasi temperatur pada daerah-daerahberbeda yang disebut termograf
Contoh 6. Tentukan panjang gelombang pada permukaanmatahari jika temperaturnya sebesar 6000 K jika dianggapsebagai radiator benda hitam(e=1).
maks =2, 898 mm.K
6000K= 483 109 m = 483 nm
Terlihat bahwa panjang gelombangnya berada padaspektrum cahaya tampak(400 700 nm).Contoh 7. Hitung panjang gelombang jika temperatursebesar 300 KJawab:
maks =2, 898 mm.K
300K= 9, 66 106 = 9660 nm
Panjang gelombang ini merupakan spektrum inframerah,lebih besar dibanding dengan spektrum cahaya tampaksehingga tidak terlihat oleh mata kita.
