KALOR DAN PENGUKURANNYA
Transcript of KALOR DAN PENGUKURANNYA
KALOR DAN PENGUKURANNYA
OLEHdr.Hj.Lili Irawati,M.Biomed
Teori Kalor Dasar :
1. Kalor yang diterima sama dengan (=) kalor yang dilepas : Azas Black- Penemu adalah Joseph Black (1720 - 1799) dari Inggris.
2. Kalor dapat terjadi akibat adanya suatu gesekan- Penemunya adalah Benyamin Thompson (1753 - 1814) dari Amerika Serikat
3. Kalor adalah salah satu bentuk energi- Ditemukan oleh Robert Mayer (1814 - 1878)
4. Kesetaraan antara satuan kalor dan satuan energi disebut kalor mekanik.
KALOR: mrpkn energi yg ditransfer dr satu benda
ke yg lainnya karena adanya perubahan suhu
Hukum Kekekalan energi:Energi dapat berubah bentukEnergi = konstan
Alat yang digunakan untuk mengukur kalor disebut kalorimeter.
PERUBAHAN ENERGI
Panas
Minyak MesinTanaman
Gesekan
Baterai Motor
Kimia Mekanik
Listrik
ElektrolisaDinamo
Efe
k pan
as
Efe
k Therm
al
Otot
Otot
Tara kalor mekanik
Joule menentukan: sejmlh kerja tertentu yg dilakukan selalu
ekivalen dg sejumlah masukan kalor tt Beban yg jatuh → roda pedal berputar Gesekan air dan roda pedal → suhu air ↑ Kuantitatif: kerja 4,186 Joule → ekivalen dg 1 kalor
SATUAN PANAS
1. Kalori :
Jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikan suhu 1 gram air murni sebesar 1 0C.
1 kilo kalori (Kkal)= 1000 kal
1 kal IT = 4,186 J
2. BTU (British Thermal Unit):
jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikan suhu 1 pound (lb) air murni sebesar 1 0F
1 BTU = 252 kal = 0,252 kkal = 1055 J
Kalor jenis adalah:
banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepaskan untuk me ↑ atau me ↓ suhu satu satuan massa zat itu sebesar satu satuan suhu.
Q = m . c . T
Dengan :Q = kalor (J atau kal)m = massa benda (kg atau gram)T = perubahan suhu (°K atau °C)c = kalor jenis (J/kg.°K atau kal/gram °C)
Kalor jenis (c)
Qc = -------- m. ∆ T
Kapasitas Panas (C)Kapasitas kalor adalah: banyaknya kalor yang diperlukan atau
dilepaskan untuk mengubah suhu benda sebesar satu satuan suhu.
Dengan :C = kapasitas kalor (J/ °K)Q = kalor (J atau kal)T = perubahan suhu (°K atau °C)
Q
C = ------ ∆ T
KALORIMETRI - mrpk pengukuran kuantitatif dr pertukaran
kalor
- Alat ukur : Kalorimeter
- Kegunaan kalorimeter: → menentukan kalor jenis zat-zat
Jika sistem terisolasi:- Bagian yg berbeda dr sistem yg terisolasi
berada pd suhu yg berbeda, kalor akan mengalir dr suhu ↑ ke ↓
- Jika sistem terisolasi seluruhnya, tdk ada energi yg bisa mengalir ke dlm/keluar berlaku hukum kekekalan energi dengan:
: kalor yg diterima = kalor yg di lepaskan (azas Black)
Q serap = Q lepas
KALORIMETRI
Contoh soal : Sepotong tembaga yang massanya 5 kg
dinaikkan suhunya sebesar 10 °K dengan menggunakan pemanas listrik berdaya 1 kW. Ternyata untuk itu diperlukan waktu 20 detik. Anggap bahwa efisiensi pemanas itu 100%. Berapakah kalor jenis tembaga menurut
hasil percobaan ini ? Berapakah kapasitas kalor tembaga itu ?
CONTOH SOAL
Sepotong aluminium yang massanya 0,5 kg dan suhunya 100 °C dicelupkan ke dalam air yang mempunyai massa 0,5 kg dan suhu 25 °C. Bila suhu akhir menjadi 39 °C dan kalor jenis air 4200 J/kg °C, tentukanlah kalor jenis aluminium (abaikan kalor yang diambil wadah air)!
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)
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)
Sepotong aluminium yang massanya 0,5 kg dan suhunya 100 °C dicelupkan ke dalam air yang mempunyai massa 0,5 kg dan suhu 25 °C. Bila suhu akhir menjadi 39 °C dan kalor jenis air 4200 J/kg °C, tentukanlah kalor jenis aluminium (abaikan kalor yang diambil wadah air)!
Kalor Pada Perubahan Wujud Beberap macam perubahan wujud dapat dilihat
pada diagram di bawah ini :
PERUBAHAN WUJUD • PENGUAPAN (EVAPORASI) Perubahan dr zat cair ke uap dg lepasnya
molekul2 dr permukaan zat cair.
• PENDIDIHAN (VAPORISASI) Perubahan wujud dr zat cair mjd gas pd suhu yg
disebut titik didih • PENGEMBUNAN (KONDENSASI) Perubahan wujud dr gas/uap menjadi zat cair
PELEBURAN Perubahan wujud dr zat padat mjd zat cair
pd suhu yg disebut titik lebur dr zat padat
PEMBEKUAN Perubahan wujud dr zat cair mjd zat padat
pd suhu yg disebut titik beku
SUBLIMASI Perubahan wujud dr zat padat langsung
menjadi gas/sebaliknya, tanpa mll wujud cair
Grafik yg memperlihatkan ke ↑ suhu dg penambahan panas
Grafik yg memperlihatkan pe ↓ suhu saat benda menjadi dingin
Kalor laten adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat
untuk berubah wujud dari satu wujud ke wujud lainnya.
Q L = ------
m Q = m. L
Dengan :Q = kalor (joule atau kalori)m = massa zat (kg atau gram)L= kalor laten (J/kg atau kal/gram)
PANAS LATEN PENDIDIHAN- Energi panas yg diserap saat 1 kg zat berubah
dr cair ke gas pd titik didihnya- Besarnya = panas yg dilepaskan jika prosesnya
dibalik
PANAS LATEN PELEBURAN
- Energi panas yg diserap saat 1 kg zat berubah dr padat ke cair pd titik leburnya
- Besarnya = panas yg dilepaskan kalau prosesnya dibalik
Beberapa istilah khusus kalor laten untuk perubahan wujud tertentu :
Kalor laten lebur atau kalor lebur. Kalor laten beku atau kalor beku. Kalor laten didih atau kalor didih. Kalor laten embun atau titik embun.
Hubungan antara kalor dengan energi listrik
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 :
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 ;
W = P.t
P.t = m.c.(t2 – t1)
Panas penguapan keringat pd kulit berpengaruh dlm:
- Pengendalian suhu badan, mll penguapan keringat 0,58 kalori panas badan akan hilang utk setiap gram air yg menguap.
- Penguapan air scr tdk disadari mll paru2 dan kulit dg kec. 600 ml/hr → menyebabkan badan akan kehilangan panas terus menerus dg kec. 12 – 16 kal/jam.
- Pengeluaran keringat dr permukaan kulit diatur oleh hipotalamus, agar pengeluaran panas mll penguapan kulit dpt terjaga kesetimbangan suhu badan sekitar 37 °C.
CONTOH SOAL Berapa kalor yang diperlukan untuk mengubah 1
gram es – 50 °C menjadi 1 gram uap 150 °C ? Kalor jenis es = 0,5 kal/g °C, kalor jenis air = 1 kal/g °C, kalor lebur es = 80 kal/g, dan kalor didih air = 540 kal/g.
Sepotong aluminium ( C = 0,21 kal/gr °C) dengan massa 20 gram bersuhu 90 °C dijatuhkan pada balok es besar bersuhu 0 °C. Berapakah es dapat dilebur oleh potongan aluminium itu?
Kalor yang diterima es adalah :Qterima = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5Dengan :Q1 = m .ces .T1 = (1)(0,5) (50) kal = 25 kalQ2 = m . L1 = (1) (80) kal = 80 kalQ3 = m .cair . T3 = (1) (1) (100) kal = 100 kalQ4 = m.Ld = (1) (540) kal = 540 kalQ5 = m .cair .T6 = (1) (1) (150- 100) = 50 kalQterima = 25 + 80 + 100 + 540 + 50 = 795kal
PERPINDAHAN KALOR
- Bila dua benda / lebih terjadi kontak termal → akan terjadi aliran kalor dari benda yang suhu lebih ↑ ke benda yang suhu lebih ↓, → tercapainya kesetimbangan termal.
- Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu :
1. konduksi,
2. konveksi,
3. radiasi.
1. KONDUKSI (HANTARAN)
- secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya ↓ dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih ↑.
- Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas dari suatu benda akibat pemanasan.
Gambar 1Gambar 1
Non steady statesNon steady statesGambar 2Gambar 2
Steady statesSteady states
100100°CC
TT11
TT22 = = 0000CC
TT11= = 10010000CC
TT22 = = 0000CC
A B A B
a
b
a’
b’
- H = bejana dg uap suhu 100°C
- C = bejana es yg sedang mencair suhu 0°C- Batang A – B bersinggungan dg ke 2 bejana →
panas akan berpindah dr A ke B- Gambar 1. batang tdk diberi isolator- Gambar 2. batang diberi isolator- Panas menjalar dr A ke B dikatakan dlm kondisi:
a. non steady state ( grafiknya ab)
b. steady state (grafiknya a’b’) → linear
→ pd bgn yg sama terdapat perubahan suhu
yg sama
Bila T2 dan T1 dipertahankan terus besarnya, → kesetimbangan termal tidak akan pernah tercapai, dan dalam keadaan 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 :
Dengan: Q H = ---- t
sedangkan tanda negatif → pelepasan kalor yang menyebabkan berkurangnya kalor dari daerah yang suhunya tinggi
(T1 – T2)H = - k A -----------
L
H = jumlah kalor yang mengalir tiap satu satuan waktu
k = koefisien konduksi termal (daya hantar panas)
( J/s.m. °C)
A = luas penampang (m2)
T = selisih temperatur antara kedua ujung batang
(°C)
L = panjang batang (m)
Sebuah lempeng gabungan yang terdiri dari dua bahan yang ketebalannya berbeda L1 dan L2, dengan konduktivitas yang berbeda k1 dan k2. Jika temperatur pada permukaan-permukaan luar adalah T2 dan T1, maka banyaknya perpindahan kalor persatuan waktu yang melalui lempeng gabungan didalam keadaan steady state.
Misalkan Tx= temperature persambungan;
Dalam keadaan stedy state, H1 = H2, = H, sehingga H =
Jika diadakan manipulasi matematik dg menjumlahkan masing-masing luas diperoleh:
Konduktivitas termal untuk beberapa bahan :
PERPINDAHAN PANAS SECARA KONDUKSI Perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan
partikel zat. Berpindahnya kalor dr suatu tempat ke tempat yg
lain dg cara tumbukan antar molekul dg laju aliran kalor
Q yang dihantarkan tergantung pd : luas daerah, lama kontak, ∆ temperatur dan nilai k.
Pemanfaatan : terapi, berupa efek :
1. Peningkatan Metabolisme
2. Vasodilatasi → peningkatan aliran darah. Contoh : Bak & kantong air panas, parafin panas, handuk panas, dan aliran listrik (diatermi)
2. KONVEKSI (ALIRAN) - Perpindahan kalor yang disertai dg perpindahan
partikel zat akibat adanya perbedaan massa.- kalor berpindah dengan cara gerakan partikel
yang telah dipanaskan - Bila perpindahannya dikarenakan perbedaan
kerapatan disebut konveksi alami (natural convection)
- bila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection).
Cont: 1. Hantaran panas pd tubuh yg dilakukan darah2. Pemanas ruangan dirumah.
Arus panas (h) pd perpindahan scr konveksi: H = h A . ∆t
Dimana: h = tetapan massa alat A = luas permukaan ∆t = perbedaan suhu
Pemanfaatan dlm bidang Kesehatan: Kompress air panas, alkohol dan kerik.
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 :
Dengan :
H = jumlah kalor yang mengalir tiap satu satuan waktu
A = luas permukaan
T = perbedaan suhu
h = koefisien konveksi
H = h x A x T
3. RADIASI (PANCARAN)
- Perpindahan kalor tanpa memerlukan medium zat antara.
- 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.
- Jika suhu ↓, radiasi kecil → λ >
Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :
Dengan :e = emisivitas benda (0 e 1)T = suhu permukaan benda(Kelvin) = konstanta Stefan –Boltzman = 5,67 x10-8watt/M2k4 = 5,67 x 10 -12 watt/cm2k4R= energi yang dipancarkan tiap satuan luas dalam
satu satuan waktu(J/s)Pemanfaatan : Prinsip kerja dari Termografi
R =e. . T4
Untuk benda yg suhunya T1 berada dlm ruangan yg dikelilingi oleh dinding yg suhunya T2, kerugian/keuntungan netto energi persatuan luas karena radiasi adalah:
R net = e. . T14 - e. . T24
= e. (T14 – T24 )
Panas tubuh yg melakukan radiasi ke dlm udara dimana sebelumnya telah memperoleh panas dr lingkungan.
Dg demikian persamaan radiasi: R = e A r ( T14 - T24 ) e = emisivitas dr manusia = Konstanta Stefan-BoltzmanA = luas permukaan tubuhr = perbandingan permukaan radiasi efektif oleh Du Bois, 0,78 utk seseorang yg tidak beraktivitas dan 0.85 pd org yg beraktivitasT1 = temperatur kulit/bendaT2 = temperatur dinding/lingkungan
Karena ke2 benda dan sekelilingnya meradiasikan energi, ada transfer energi total dr satu ke yg lainnya, kecuali semuanya mempunyai suhu yg =.
Jika T1 > T2, aliran kalor total adalah dr benda ke lingkungan → benda mendingin
Jika T1< T2,aliran kalor total dr lingkungan ke benda, dan temperaturnya naik
CONTOH SOAL Sebuah jendela kaca ruang bangunan
berpengatur suhu (ber-AC) panjangnya 2 m, tingginya 1 m, dan tebalnya 5 mm. Suhu permukaan dalam kaca 25 °C dan suhu permukaan luar 35 °C. Berapakah banyaknya kalor yang mengalir keluar dari ruang itu melalui jendela kaca tersebut? (koefisien konduksi termal kaca = 8.10-4 kJ/m.s.K)
Seseorang yang tanpa pakaian memiliki suhu tubuh 33 °C di kamar yang suhunya 29 °C. Bila luas permukaan badan orang itu 1,5 m2, berapa jumlah kalor yang dilepaskan badan orang tiap detik? (koefisien konveksi untuk tubuh manusia h = 7,1 J/smK)
Sebuah bola mempunyai suhu 600 °C. Berapa energi yang dipancarkan benda persatuan luas tiap detiknya, jika bola dianggap hitam sempurna ?
SOAL Berapakah tenaga radiasi per cm2 dr kulit pd
temperatur 306 °K, bila e dr tubuh dianggap 1 ? Berapakah tenaga radiasi yg dipancarkan 1,75
m2 tubuh tanpa busana? Bila tenaga radiasi yg diterima dr dinding yg
temperaturnya 293 °K (20 °C) kira-kira 735 watt,berapa total tenaga radiasi yg keluar?
Latihan : Sebatang timah bermassa 200 gram dipanaskan
sampai 90°C, kemudian dimasukkan kedalam 500 gram air pada suhu 20°C (ca = 1 kal/goC). Jika suhu akhir timah dan air 20,8°C, berapa kalor jenis timah tersebut?
Berapa kalor yang dibutuhkan untuk me- naikkan suhu 100 gram es – 5°C menjadi uap 100°C? Diketahui kalor lebur es = 80 kal/g, kalor didih air = 540 kal/g, kalor jenis es = 0,5 kal/g °C,dan kalor jenis air 1 kal/g °C.
Sebuah keping besi tebal 2 cm dengan luas penampang 5000 cm2, sisi yang satu bersuhu 150oC dan yang lain 140oC. Berapa kalor yang berpindah melalui keping setiap detik? (k besi = 4,6 x10-3 kJ/msK)
Seorang atlit duduk tanpa pakaian di kamar ganti yg dindingnya gelap pd temperatur 15 °C. Perkirakan kecepatan kehilangan kalor dg radiasi dg menganggap temperatur kulit sebesar 34 °C dan emisivitas = 0,70. Anggap permukaan tubuh yg tdk bersentuhan dg kursi sebesar 1,5 m2