KALOR DAN PENGUKURANNYA

59
KALOR DAN PENGUKURANNYA OLEH dr.Hj.Lili Irawati,M.Biomed

Transcript of KALOR DAN PENGUKURANNYA

Page 1: KALOR DAN PENGUKURANNYA

KALOR DAN PENGUKURANNYA

OLEHdr.Hj.Lili Irawati,M.Biomed

Page 2: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 3: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 4: KALOR DAN PENGUKURANNYA

PERUBAHAN ENERGI

Panas

Minyak MesinTanaman

Gesekan

Baterai Motor

Kimia Mekanik

Listrik

ElektrolisaDinamo

Efe

k pan

as

Efe

k Therm

al

Otot

Otot

Page 5: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 6: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 7: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 8: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 9: KALOR DAN PENGUKURANNYA
Page 10: KALOR DAN PENGUKURANNYA
Page 11: KALOR DAN PENGUKURANNYA

KALORIMETRI - mrpk pengukuran kuantitatif dr pertukaran

kalor

- Alat ukur : Kalorimeter

- Kegunaan kalorimeter: → menentukan kalor jenis zat-zat

Page 12: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 13: KALOR DAN PENGUKURANNYA

KALORIMETRI

Page 14: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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 ?

Page 15: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)!

Page 16: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)

Page 17: KALOR DAN PENGUKURANNYA

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan

Page 18: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)

Page 19: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)!

Page 20: KALOR DAN PENGUKURANNYA

Kalor Pada Perubahan Wujud Beberap macam perubahan wujud dapat dilihat

pada diagram di bawah ini :

Page 21: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 22: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 23: KALOR DAN PENGUKURANNYA

Grafik yg memperlihatkan ke ↑ suhu dg penambahan panas

Page 24: KALOR DAN PENGUKURANNYA

Grafik yg memperlihatkan pe ↓ suhu saat benda menjadi dingin

Page 25: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)

Page 26: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 27: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 28: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 29: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)

Page 30: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 31: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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?

Page 32: KALOR DAN PENGUKURANNYA
Page 33: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 34: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 35: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 36: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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’

Page 37: KALOR DAN PENGUKURANNYA

- 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

Page 38: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 39: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 40: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)

Page 41: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 42: KALOR DAN PENGUKURANNYA

Misalkan Tx= temperature persambungan;

Dalam keadaan stedy state, H1 = H2, = H, sehingga H =

Jika diadakan manipulasi matematik dg menjumlahkan masing-masing luas diperoleh:

Page 43: KALOR DAN PENGUKURANNYA

Konduktivitas termal untuk beberapa bahan :

Page 44: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)

Page 45: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 46: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 47: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 48: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 49: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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 >

Page 50: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 51: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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 )

Page 52: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 53: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 54: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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)

Page 55: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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 ?

Page 56: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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?

Page 57: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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.

Page 58: KALOR DAN PENGUKURANNYA

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

Page 59: KALOR DAN PENGUKURANNYA