KALOR

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)

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)

Yang perlu diperhatikan adalah rumus Q disini dapat berubah-ubah sesuai dengan soal.

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.

Sebelum abad ke-17, orang berpendapat bahwa kalor merupakan zat yang mengalir dari suatu

benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah jika kedua benda

tersebut bersentuhan atau bercampur. Jika kalor merupakan suatu zat tentunya akan memiliki

massa dan ternyata benda yang dipanaskan massanya tidak bertambah. Kalor bukan zat tetapi

kalor adalah suatu bentuk energi dan merupakan suatu besaran yang dilambangkan Q dengan

satuan joule (J), sedang satuan lainnya adalah kalori (kal). Hubungan satuan joule dan kalori

adalah:

1 kalori = 4,2 joule

1 joule = 0,24 kalori

Kalor dapat Mengubah Suhu Benda

Apa yang terjadi apabila dua zat cair yang berbeda suhunya dicampur menjadi satu?

Bagaimana hubungan antara kalor terhadap perubahan suhu suatu zat? Adakah hubungan

antara kalor yang diterima dan kalor yang dilepaskan oleh suatu zat? Semua benda dapat

melepas dan menerima kalor. Benda-benda yang bersuhu lebih tinggi dari lingkungannya

akan cenderung melepaskan kalor. Demikian juga sebaliknya benda-benda yang bersuhu

lebih rendah dari lingkungannya akan cenderung menerima kalor untuk menstabilkan kondisi

dengan lingkungan di sekitarnya. Suhu zat akan berubah ketika zat tersebut melepas atau

menerima kalor. Dengan demikian, dapat diambil kesimpulan bahwa kalor dapat mengubah

suhu suatu benda.Kalor jenis suatu zat adalah banyaknya kalor yang yang diperlukan oleh

suatu zat bermassa 1 kg untuk menaikkan suhu 1 °C. Sebagai contoh, kalor jenis air 4.200

J/kg °C, artinya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 °C adalah

4.200 J. Kalor jenis suatu zat dapat diukur dengan alat kalorimeter.

Tabel beberapa kalor jenis zat

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan suhu suatu benda

bergantung pada:

massa benda (m)

jenis benda / kalor jenis benda (c)

perubahan suhu (Δt )

Oleh karena itu, hubungan banyaknya kalor, massa zat, kalor jenis zat, dan perubahan suhu

zat dapat dinyatakan dalam persamaan:

Kalor dapat Mengubah Wujud Zat

Suatu zat apabila diberi kalor terus-menerus dan mencapai suhu maksimum, maka zat akan

mengalami perubahan wujud. Peristiwa ini juga berlaku jika suatu zat melepaskan kalor

terus-menerus dan mencapai suhu minimumnya. Oleh karena itu, selain kalor dapat

digunakan untuk mengubah suhu zat, juga dapat digunakan untuk mengubah wujud zat.

Perubahan wujud suatu zat akibat pengaruh kalor dapat digambarkan dalam skema berikut.

Keterangan:

1 = mencair/melebur

2 = membeku

3 = menguap

4 = mengembun

5 = menyublim

6 = mengkristal

Menguap (terjadi perubahan suhu), apakah pada waktu zat menguap memerlukan kalor? Dari

manakah kalor itu diperoleh? pada waktu air dipanaskan akan tampak uap keluar dari

permukaan air. Kenyataan ini menunjukkan bahwa pada waktu menguap zat memerlukan

kalor. Jika air dipanaskan terus-menerus, lama-kelamaan air tersebut akan habis. Habisnya air

akibat berubah wujud menjadi uap atau gas. Peristiwa ini disebut menguap, yaitu perubahan

wujud dari cair ke gas, karena molekul-molekul zat cair bergerak meninggalkan permukaan

zat cairnya. Pada peristiwa menguap terjadi perubahan suhu, oleh karena itu berlaku:

Mendidih (tidak mengalami perubahan suhu, namun terjadi perubahan wujud)

Mendidih adalah peristiwa penguapan zat cair yang terjadi di seluruh bagian zat cair tersebut.

Peristiwa ini dapat dilihat dengan munculnya gelembung-gelembung yang berisi uap air dan

bergerak dari bawah ke atas dalam zat cair. Zat cair yang mendidih jika dipanaskan terus-

menerus akan berubah menjadi uap. Banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg

zat cair menjadi uap seluruhnya pada titik didihnya disebut kalor uap (U). Karena tidak

terjadi perubahan suhu, maka besarnya kalor uap dapat dirumuskan:

Keterangan:

Q = kalor yang diserap/dilepaskan (joule)

m = massa zat (kg)

U = kalor uap (joule/kg)

Tabel beberapa kalor uap zat

Jika uap didinginkan akan berubah bentuk menjadi zat cair, yang disebut mengembun. Pada

waktu mengembun zat melepaskan kalor, banyaknya kalor yang dilepaskan pada waktu

mengembun sama dengan banyaknya kalor yang diperlukan waktu menguap dan suhu di

mana zat mulai mengembun sama dengan suhu di mana zat mulai menguap.

Sebuah penukar panas sederhana bisa dianggap sebagai dua pipa lurus dengan aliran fluida,

termal yang terhubung. Biarkan pipa menjadi panjang yang sama L , membawa cairan dengan

kapasitas panas (energi per satuan massa per unit perubahan suhu) dan membiarkan aliran

massa laju cairan melalui pipa akan (massa per satuan waktu), dimana subskrip i berlaku

untuk pipa 1 atau pipa 2.

Suhu profil untuk pipa dan di mana x adalah jarak sepanjang pipa. Asumsikan

keadaan stabil, sehingga profil suhu tidak fungsi waktu. Asumsikan juga bahwa transfer

hanya panas dari volume kecil cairan dalam satu pipa adalah elemen fluida dalam pipa lain di

posisi yang sama. Tidak ada transfer panas sepanjang pipa karena perbedaan suhu di dalam

pipa itu. Dengan hukum Newton pendinginan laju perubahan energi dari volume kecil cairan

adalah proporsional terhadap perbedaan suhu antara itu dan unsur terkait dalam pipa lain:

di mana adalah energi panas per satuan panjang dan γ adalah hubungan panas konstan

per satuan panjang antara kedua pipa. Perubahan dalam hasil energi internal terhadap

perubahan suhu dari elemen fluida. Tingkat waktu perubahan untuk elemen cairan yang

terbawa oleh aliran adalah:

mana adalah "laju alir massa termal". Persamaan diferensial yang mengatur

penukar panas sekarang dapat ditulis sebagai:

Perhatikan bahwa, karena sistem dalam keadaan stabil, tidak ada turunan parsial suhu

terhadap waktu, dan karena tidak ada transfer panas sepanjang pipa, tidak ada turunan kedua

di x seperti yang ditemukan dalam persamaan panas . Kedua ditambah orde pertama

persamaan diferensial dapat diselesaikan untuk menghasilkan:

mana , , dan A dan B adalah dua konstanta yang

belum ditentukan integrasi. Biarkan dan menjadi suhu di x = 0 dan membiarkan

dan menjadi suhu pada ujung pipa pada x = L. Tentukan suhu rata-rata dalam pipa

masing-masing:

Menggunakan solusi di atas, suhu ini adalah:

Memilih dua dari suhu di atas menghilangkan konstanta integrasi, membiarkan kita

menemukan empat suhu lainnya. Kami menemukan total energi ditransfer dengan

mengintegrasikan ekspresi untuk tingkat perubahan terhadap waktu dari energi internal per

satuan panjang:

Dengan konservasi energi, jumlah dari dua energi adalah nol. Kuantitas yang

dikenal sebagai Log berarti perbedaan suhu , dan merupakan ukuran efektivitas dari penukar

panas dalam mentransfer energi panas.

Kapasitas kalor

Contoh soal: sebuah zat dipanaskan dari suhu 10°C menjadi 35°C. Kalor yang dikeluarkan

adalah 5000 Joule. Jika masa zat adalah 20 kg. Berapakah kalor jenis dan kapasitas kalor zat

tersebut? Jawab = Diketahui=

t1 =10°C

t2 =35°C

Q =5000 J

m =20 kg

Ditanya = b. Kapasitas kalor (H)

a. kalor jenis (c)

delta t = t2-t1

= 35°-10°

= 25°

c = Q:(m*delta t)

c = 5000:(20*25)

c = 5000: 500

c = 10 J/kg C°

H = m × c

= 20kg × 10 J/kg C°

= 200 J/ C°

Kalor lebur

Rumus:

dengan ketentuan:

= Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)

= Massa zat (Gram, Kilogram)

= Kalor lebur zat (Joule/kilogram, Kilojoule/kilogram, Joule/gram)

Penukar panas

enukar panas atau dalam industri kimia populer dengan istilah bahasa Inggrisnya, heat exchanger (HE),

adalah suatu alat yang memungkinkan perpindahan panas dan bisa berfungsi sebagai pemanas maupun

sebagai pendingin. Biasanya, medium pemanas dipakaiuap lewat panas (super heated steam) dan air

biasa sebagai air pendingin (cooling water). Penukar panas dirancang sebisa mungkin agar perpindahan

panas antar fluida dapat berlangsung secara efisien. Pertukaran panas terjadi karena adanya kontak, baik

antara fluida terdapat dinding yang memisahkannya maupun keduanya bercampur langsung begitu saja.

Penukar panas sangat luas dipakai dalam industri seperti kilang minyak, pabrik

kimiamaupun petrokimia, industri gas alam, refrigerasi, pembangkit listrik. Salah satu contoh sederhana

dari alat penukar panas adalah radiator mobil di mana cairan pendingin memindahkan panas mesin ke

udara sekitar.

]Jenis Penukar Panas

Shell and Tube

Jenis umum dari penukar panas, biasanya digunakan dalam kondisi tekanan relatif tinggi, yang terdiri dari

sebuah selongsong yang didalamnya disusun suatu anulus dengan rangkaian tertentu (untuk

mendapatkan luas permukaan yang optimal). Fluida mengalir di selongsong maupun di anulus sehingga

terjadi perpindahan panas antar fluida dengan dinding anulus sebagai perantara. Beberapa jenis rangkaian

anulus misalnya; triangular, segiempat, dll.

Jenis Plat

Contoh lainnya adalah penukar panas jenis plat. Alat jenis ini terdiri dari beberapa plat yang disusun

dengan rangkaian tertentu, dan fluida mengalir diantaranya.

Perpindahan kalor terjadi dan benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu lebih

rendah.

Ada tiga macam cara perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi dan radiasi.

PERPINDAHAN KALOR SECARA KONDUKSI

Perpindahan kalor secara konduksi ialah perpindahan kalor melalui zat tanpa disertai

perpindahan partikel-partikel zat tersebut. Terjadinya konduksi kalor dapat diterangkan

dengan teori molekul. Pada bagian zat yang panas, molekul-molekul bergetar lebih cepat dan

membentuk molekul-molekul lain di sekitarnya. Benturan-benturan itu mengakibatkan

molekul-molekul di sekitarnya juga bergetar lebih cepat dan suhunya naik (semakin panas).

Perpindahan kalor secara konduksi terjadi pada zat padat, seperti logam. Contoh Sepotong

logam dipanasi pada salah satu ujungnya maka ujung yang lain akan terus

panas.

Konduktor dan Isolator

Berdasarkan daya hantar kalornya, zat dapat dibedakan menjadi dua macam, yaitu konduktor

dan isolator. Konduktor adalah zat yang daya hantarnya baik, misalnya berbagai jenis logam

seperti alumunium, tembaga, besi, silikon baja dan lain-lain. Isolator adalah zat yang daya

hantar kalornya buruk, misalnya kayu, plastik, kertas, kaca, udara dan lain-lain. Berdasarkan

sifat konduktor atau isolator yang dimiliki beda, kita dapat memanfaatkan benda itu dengan

sebaik-baiknya.

Contohnya:

• Alat-alat dapur (panci, penggorengan) seterika dan radiator terbuat dan jenis logam, seperti:

tembaga, alumuriium atau besi, karena bahan-bahan mi mudah menghantarkan kalor dan api

ke bahan makanan atau air yang dimasak.

• Tangkai pegangan pada alat-alat dapur, pegangan seterika terbuat dan kayu, plastik atau

ebonit,

karena bahan ini sukar menghantarkan kalor sehingga tetap aman untuk dipegang.

Perpindahan Kalor Secara Konveksi (Aliran)

Konveksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai perpindahan partikel-

partikel zat itu. Perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada zat cair dan gas. Terjadinya

arus konveksi pada zatcair dan gas disebabkan adanya perbedaan massa jenis zat. Pada

bagian yang dipanaskan, massa jenis zat lebih kecil daripada bagian yang tidak dipanaskan.

Pada sistem ventilasi rumah terjadi konveksi alami udara, di mana udara panas dalam rumah

bergenak ke atas dan keluar melalui ventilasi, kemudian tempatnya digantikan oleh Udara

dingin yang masuk ventilasi sehingga suhu udara di dalam rumah terasa lebih nyaman.

Terjadinya angin darat dan angin laut juga disebabkan oleh konveksi alamiah udara.

Perpindahan Kalor Secara Radiasi (Pancaran)

Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara. Contoh perpindahan kalor

secara radiasi, antara lain:

a. Perpindahan kalor dan matahari di bumi.

b. Perpindahan kalor dan api unggun ke benda-benda yang ada di sekitarnya.

Makin tinggi suhu suatu benda dibandingkan suhu lingkungannya, makin besar pancaran

kalornya. Selain suhu, besarnya kalor yang dipancarkan oleh suatu benda juga ditentukan

oleh permukaan benda tersebut:

1. Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik sekaligus

pemancar kalor radiasi yang baik pula.

2. Permukaan yang putih dan mengkilap adalah penyerap kalor radiasi yang buruk sekaligus

pemancar kalor yang buruk pula.

3. Untuk mengurangi merambatnya kalor secara radiasi, permukaan harus dilapisi suatu

bahan agar mengkilap (misal: perak)

Apabila suatu benda menerima pancaran kalor, maka benda tersebut akan mengalami:

a. Meneruskan klor (diaterman), contoh : udara.

b. Memantulkan kator, contoh : cermin.

c. Menyerap kalor (aterman), contoh : gelas, air.

Untuk menyelidiki adanya radiasi kalor digunakan alat yang disebut termoskop. Termoskop

yang dapat digunakan untuk menyelidiki sifat pancaran dan berbagai permukaan disebut

termoskop diferensial.

Dengan termoskop diferensial antara lain dapat ditentukan bahwa benda yang permukaannya

hitam kusam memancarkan dan menyerap kalor lebih balk daripada benda yang

permukaannya putih.

Energi Kalor dapat Dicegah untuk Berpindah dengan Mengisolasi Ruang Tersebut

Perpindahan kalor yang baik secara konduksi, konveksi maupun radiasi dari suatu tempat

atau ruang dapat dicegah dengan cara mengisolasi ruang tersebut. Manfaat penerapan konsep

perpindahan kalor maupun pencegahannya dapat ditemui pada beberapa peralatan rumali

tangga, misalnya:

a. Termos merupakan alat yang dapat mencegah perpindahan kalor secara konduksi, konveksi

dan radiasi.

Prinsip kerja termos adalah mencegah terjadinya perpindahan kalor dengan cara mengisolasi

ruang di dalam termos tersebut. Dinding permukaan bagian dalam termos dibuat mengkilap

dengan lapisan perak agar daya serap dan daya pancar terhadap kalor sangat rendah sehingga

kalor dan air panas tidak diserap dinding tersebut sehingga tetap panas. Dinding dibuat

berlapis dua diantaranya berupa ruang hampa, untuk mencegah perpindahan kalor secara

konduksi, konveksi maupun radiasi. Sehingga kalor tetap terperangkap di sin panas.

b. Seterika mengkoriduksi kalor pada pakaian yang disetenika. Pegangan seterika terbuat dan

kayu atau plastik sebagai isolator, sehingga tangan tidak terasa panas.