KALOR

A. Pengertian Kalor

Apabila kamu mencelupkan besi panas kedalam gelas berisi air dingin, maka setelah beberapa saat suhu air di dalam gelas akan naik. Sementara itu, suhu besi akan turun. Mengapa demikian? Karena ada suatu bentuk energy yang berpindah dari besi (benda bersuhu tinggi) ke air (benda bersuhu rendah) yang di sebut kalor. Dengan demikian, Kalor adalah salah satu bentuk energy yang dapat berpindah dari benda bersuhu tinggi kebenda bersuhu rendah.

Sebelum abad kesembilan para ilmuan berpendapat bahwa kalor merupakan Zat alir, yaitu zat yang mengalir dari suatu benda ke benda lain. Kalor zat alir ini pertama kali dikemukakan oleh seorang ahli kimia berkebangsaan Prancis, yaitu Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794).Menurutnya, apabila benda bersuhu lebih tinggi disentuhkan ke benda bersuhu lebih rendah, maka pada saat itu zat alir mengalir. Satuan kalor pada masa itu dinyatakan dalam satuan kalori atau untuk ukuran yang lebih besar dinyatakan dalam satuan kalo kalori. Ternyata teori tentang kalor sebagai zat alir tersebut memiliki kelemahan. Kelemahannya adalah jika kalor merupakan zat alir, maka zat tersebut haruslah memiliki massa. Akan tetapi, kenyataanya kalor tidak memiliki massa dan tidak dapat di timbang.

Pada perkembangan selanjutnya, anggapan bahwa kalor merupakan zat alir makin diragukan kebenarannya. Beberapa ilmuwan yang membantah teori kalor sebagai zat alir di antaranya adalah Binjamin Thompson (1753-1814).Nama lain Binjamin Thompson adalah Count Rumford. Ia adalah seorang pemimpin pengeboran laras-laras meriam di sebuah pabrik senjata di Munich, Jerman. Saat ia melakukan pengeboran, potongan-potongan logam yang diperoleh semua menjadi panas, padahal tidak dilakukan pemanasan(pembakaran). Kejadian itu tidak sesuai dengan anggapan bahwa kalor merupakan zat alir.

Hal yang sama juga dialami oleh Robert Mayer (1814-1878), seorang ilmuwan berkebangsaan Jerman. Untuk mengetahui hakikat kalor, ia mengguncang-guncangkan air yang ada di dalam botol. Setelah diguncang-guncangkan, ternyata suhu air naik. Kenaikan suhu air tersebut menunjukkan bahwa jumlah kalor dalam air bertambah. Pertambahan kalor dalam air disebabkan oleh adanya guncangan yang berulang-ulang (enargikinetik). Berdasarkan kenyataan itu selanjutnya disimpulkan bahwa kalor merupakan salah satu bentuk energi. Kebenaran kesimpulan itu makin di perkuat oleh James Prescott Joule (1818-1889), seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris. Dengan percobaan, ia berhasil merumuskan tara kalor mekanik. Tara kalor mekanik adalah bilangan yang menyatakan kesetaraan antara satuan kalor dan satuan energy, yaitu Joule. ( 1kalori = 4,2 joule atau 1joule = 0,24 kalori).

Prinsip percobaan Joule adalah mengaduk air menggunakan beban yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu. Beban tersebut digantungkan pada tali yang dililitkan pada sumbu sebuah roda sudu. Roda sudu berada dalam bejana berisi air, yang disebut calorimeter. Dalam system gambar di samping, usaha benda dapat di hitung dengan rumus w = m g h. Energi (usaha) inilah yang digunakan untuk menaikan suhu air. Dengan kata lain, tambahan kalor yang diterima air berasal dari usaha beban. Dengan demikian, ada kesetaraan antara kalor dan energi. Hal ini merupakan bukti bahwa kalor adalah salah satu bentuk energy ( energipanas).

B. Pengaruh Kalor terhadap Benda

Apabila benda menerima atau melepaskan kalor, maka akan terjadi perubahan suhu atau wujud pada benda tersebut. Contohnya, apabila kamu memasak air maka setelah beberapa saat air akan menjadi panas dan akhirnya mendidih. Air menjadi panas karena pada saat memasak, air menerima kalor. Dengan demikian, apabila suatu benda menerima kalor, maka suhu benda tersebut akan naik. Suatu benda tidak hanya menerima kalor, tetapi juga dapat melepaskan kalor. Apabila suatu benda melepaskan kalor, maka suhu benda tersebut akan turun.

1. Hubungan antara Kalor dan Massa BendaUntuk jenis benda yang sama tetapi massanya berbeda, kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu yang sama ternyata besarnya berbeda. Artinya, makin besar massa benda, semakin besar pula kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda tersebut. Dengan demikian, jumlah kalor yang diperlukan sebanding dengan massa bendanya.

2. Hubungan antara Kalor dan Jenis BendaUntuk jenis benda yang berbeda tetapi massanya sama, kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu yang sama ternyata besarnya berbeda. Dengan demikian, jumlah kalor yang diperlukan bergantung pada jenis bendanya. Dalam hal ini jenis benda diwakili oleh suatu besaran yang disebut kalor jenis ( c ).

3. Hubungan antara Kalor dan Kenaikan Suhu BendaJumlah kalor yang diberikan besarnya sebanding dengan kenaikan (perubahan) suhu benda. Artinya, makin banyak kalor yang diberikan kepada benda, semakin besar pula kenaikan suhu benda tersebut.Benda bergantung pada massa benda (m), kalor jenis benda ( c ), dan perubahan suhu (∆T), secara matematis hubungan tersebut dirumuskan :

Q = m c ∆T

Dengan : Q = kalor yang diperlukan, satuannya joule (J)m = massa benda, satuannya kgc = kalor jenis benda, satuannya J/kg˚C atau J/kg K∆T = perubahan suhu, satuannya ˚C atau K

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1˚C atau 1 K.

Tabel 4.1 Kalor Jenis Berbagai Zat No Zat Kalor Jenis (J/kg˚C)

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Udara

Air

Alkohol

Raksa

Parafin

Es

Alumunium

Tembaga

Kaca

Besi

Emas

Perak

1000

4200

2400

140

2.200

2.100

900

390

670

450

130

234

4. Kapasitas KalorApabila suhu dari dua benda yang berbeda dinaikkan, maka untuk setiap kenaikan suhu yang sama diperlukan jumlah kalor yang berbeda. Mengapa demikian? Hal demikian terjadi karena kapasitas kalor antara benda yang satu dan yang lain berbeda, Kapasitas kalor didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1˚C atau 1 K.

Secara matematis kapasitas kalor dirumuskan :

C = Q /∆T

Dengan : Q = jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan (J)C = kapasitas kalor (J/˚C atau J/K)∆T = kenaikan suhu (˚C atau K)

C. Perubahan Wujud Zat

Kalor yang diserap atau dilepaskan suatu zat tidak hanya menyebabkan perubahan suhu zat itu.Ternyata,kalor juga dapat menyebabkan perubahan wujud zat dari satu wujud menjadi wujud yang lain.

1. Menguap dan Mengembun

a. Menguap

menguap adalah perubahan wujud zat dari cair menjadi gas.Pada saat menguap,zat memerlukan sejumlah kalor. Akan tetapi,proses penguapan tidak selalu melalui pemanasan.Seperti spirtus yang menguap tanpa pemanasan.hal itu terjadi karena penguapan terjadi pada semua suhu.

Beberapa faktor yang dapat mempercepat proses penguapan,antara lain :

1. Pemanasan

Air yang dipanaskan akan cepat menguap.kerena telah diketahui bahwa zat cair tersusun dari molekul - molekul yang saling berkaitan.ketika zat cair tersebut mengalami pemanasan,molekul – molekul yang lebih dekat dengan permukaan mampu bergetar lebih cepat sehingga mampu melepaskan diri dari permukaan zat cair.Keadaan molekul – molekul zat cair melepaskan diri dari permukaan zat cair,disebut dengan menguap.Makin besar pemanasan yang dilakukan terhadap zat cair,maka banyak zat cair yang menguap.

2. Tiupan Udara di Atas Permukaan

Apabila diatas permukaan secangkir teh panas kita tiupkan udara,maka udara di atas permukaan air teh tersebut akan membawa molekul – molekul air di dekat permukaan untuk meninggalkan air teh.Molekul – molekul air di atas permukaan tadi menjadi ruang yang kosong dan selanjutnya akan diisi oleh molekul – molekul air dibawahnya.

3. Memperluas Permukaan

Agar air teh panas dalam cangkir lebih cepat dingin.kamu harus menuangkan air teh tersebut ke dalam piring cangkir.Mengapa demikian?Karena luas permukaan air dalam piring cangkir lebih besar daripada luas permukaan air dalam cangkir sehingga kesempatan molekul air untuk meninggalkan permukaan air lebih besar.Dengan demikian,penguapan yang terjadi akan lebih cepat.

4. Mengurangi Tekanan di Permukaan

Alkohol di dalam botol yang terbuka akan lebih cepat habis daripada dalam botol tertutup.Hal itu disebabkan tekanan di atas permukaan alkohol dalam botol terbuka lebih kecil daripada dalam botol tertutup.Ternyata,jika tekanan pada permukaan zat cair diperkecil,maka jarak antar molekul udara diatas permukaan zat cair menjadi lebih renggang.Oleh,karena itu molekul – molekul zat cair akan lebih mudah untuk mengisi ruang – ruang kosong di antara molekul – molekul udara.Dengan demikian,zat cair akan lebih mudah menguap.

b. Mengembun

Proses sebaliknya dari menguap adalah mengembun. Mengembun adalah perubahan wujud zat dari gas menjadi cair. Apabila air panas dalam panci ditutup,maka setelah beberapa saat ketika tutup panci dibuka,pada tutup panci akan tampak titik – titik air.Titik – titik air tersebut terjadi karena suhututup panci lebih rendah daripada suhu uap air.Uap air yang berada di sekitar tutp panci melepaskan kalor pada tutup panci sehingga tutup panci menjadi lebih panas.Akibatnya,uap air mengembun menjadi tetes – tetes air dan menempel pada tutup panci.Jadi,pada saat mengembun,zat melepaskan kalor

2. Mendidih

Apabila kamu memanaskan air dalam benjana kaca,maka pada suhu tertentu akan timbul gelembung-gelembung air. Ketika gelembung-gelembung air terbentuk diseluruh bagian air,dikatakan bahwa air dalam benjana tersebut mendidih.Gelembung-gelembung air pada zat cair mengalami penguapan.Dengan demikian,mendidih terjadi pada saat keseluruhan zat cair menguap (bukan hanya di permukaan zat cair saja) dan pada suhu tertentu saja.Suhu zat cair mendidih pada tekanan 1 atmosfer disebut titik didih.

Titik didih air pada tekanan 1 atmosfer (76 cmHg) adalah 100 0C.Pada saat mendidih,suhu zat cair tetap meskipun kamu terus menerus memberikan kalor.Karena kalor yang diberikan pada saat mendidih digunakan untuk mengubah wujud zat dari cair menjadi gas (mwnguap).Oleh karena itu,jika air terus menerus dipanaskan,maka akan menguap dan air akan habis.

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menguapkan 1 kg zat cair pada titik didihnya disebut kalor uap (U).Satuan untuk kalor uap adalah J/kg.Dengan demikian,untuk menguapkan sejumlah zat pada titik didihnya diperlukan kalor (Q) sebesar:

Q = m U

dengan : Q = kalor yang diperlukan (J)

m = massa zat (kg)

U = kalor uap (J/kg)

Kalor uap suatu zat adalah banyaknya kalor per satuan massa yang harus diberikan pada suatu zat pada titik didihnya supaya menjadi gas seluruhnya pada titik didih tersebut .

a. Pengaruh Tekanan terhadap Titik Didih

Titik didih zat cair dipengaruhi oleh tekanan udara di atas permukaan zat cair.Makin kecil tekanan udara di atas permukaan zat cair, makin rendah titik didih zat cair tersebut.Di daerah dataran tinggi atau pegunungan,tekanan udaranya lebih kecil daripada tekanan udara di daerah dataran rendah atau pantai sehingga titik didih di daerah dataran tinggi atau pengunungan lebih rendah daripada di daerah daratan rendah atau pantai.Kareba titik didihnya lebih rendah,air akan lebihcepat mendidih.

Titik didih normal air pada tekanan 76 cmHg adalah 1000C.Bila tekanan tersebut dikurangi,maka air akan mendidih pada suhu kurang dari 1000C.titik didih akan mengalami pengurangan sebesar 10C setiap kenaikan 300 m dari permukaaan air laut.

b. Pengaruh Pencampuran Zat lain Terhadap Titik Didih

Bila kita melakukan percobaan menggunakan 2 benjana yang pertama benjana tersebut berisi air lalu ditambahkan garam dan bejana yang satunya diberi gula.lalu dipanaskan di atas kompor.Setelah itu amati suhu yang terbaca pada termometer ketika kedua air dalam bejana tersebut mendidih.ternyata, air yang diberi garam atau gula mendidih pada suhu yang lebih tinggi daripada air murni.Dengan demikian,penambahan suatu zat dapat menaikkan titik didih.

3. Melebur dan Membeku

Pada saat kamu menyalakan lilin,apabila kamu perhatikan,maka lilin yang terdapat disekitar api akan berubah menjadi cair.Panas (kalor) dari api menyebabkan lilin meleleh atau berubah menjadi cair.Lilin yang berwujud cair itu apabila jatuh ke lantai akan berubah kembali menjadi lilin padat.Ternyata,zat padat dapat berubah menjadi zat cair atau sebaliknya.Perubahan wujud zat dari padat menjadi cair disebut melebur .Peristiwa sebaliknya,perubahan wujud dari cair menjadi padat disebut membeku.Untuk dapat lebih memahami peristiwa melebur dan membeku.

Jumlah kalor yang diperlukan untuk meleburkan zat dapat dinyatakan dengan :

Q = m L

dengan Q = kalor untuk meleburkan zat (J)

m = massa zat (kg)

L = kalor lebur (J/kg)

D. Penerapan Kalor Pada Penyulingan Air

Apabila kita ingin mendapatkan air murni dari air tidak murni, misalnya dari air laut, maka kita dapat memperolehnya dengan melakukan penyulingan (distilasi). Penyulingan merupakan suatu proses untuk mendapatkan zat cair murni dari zat cair tidak murni dengan memanaskannya sehingga didapatkan uap air. Kemudian uap air yang terbentuk diembunkan hingga diperoleh zat cair murni. Prinsip kerja penyulingan adalah memanfaatkan perbedaan titik didih zat cair.

Cara kerja dari alat penyulingan air sederhana pada gambar 4.14 adalah sebagai berikut. Air tidak murni dimasukkan ke dalam labu tahan panas kemudian labu dipanaskan hingga air dalam labu mendidih dan menguap. Uap air yang terbentuk kemudian dialirkan melalui pipa. Di dalam pipa dipasang kondensor (pendingin) yang berisi air mengalir dengan arah aliran yang berlawanan dengan arah aliran uap air.

Akibatnya, uap air murni yang mengalami kontak dengan air dingin mengalami pengembunan dan terbentuk titik – titik air murni yang semakin lama semakin banyak. Air murni tersebut kemudian ditampung dalam gelas atau tabung.

Alat penyulingan air juga dapat digunakan untuk mendapatkan alcohol murni dari campuran air dan alcohol. Karena titik didih alcohol lebih rendah daripada titik didih air, uap yang terbentuk lebih banyak mengandung alcohol sehingga hasil sulingan merupakan alcohol.

E. Asas Black

Bila dua zat cair yang berbeda suhunya dicampur, maka zat cair yang suhunya lebih tinggi memiliki energy lebih besar, sedangkan zat cair yang suhunya rendah memiliki energy lebih kecil, misalnya antara air panas dan air dingin. Apakah yang terjadi dengan energy

campuran zat tersebut? Apakah lebih tinggi ataukah lebih rendah dari energy zat – zat yang dicampur?

Josep Black ( 1728 – 1799 ) mengungkapkan bahwa bila dua zat dicampur, maka kalor yang dimiliki oleh zat yang suhunya lebih tinggi akan mengalir ke zat yang kalornya lebih rendah sehingga terjadi keseimbangan energy. Keseimbangan ini dapat diamati dengan melihat keadaan akhir campuran memiliki suhu yang sama. Hal tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:

Qlepas = Qterima

Persamaan di atas dikenal sebagai asas Black.

Dari persamaan asas black di atas dapat disimpulkan bahwa kalor yang dilepaskan oleh zat bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diterima oleh zat bersuhu rendah.

Contoh: Air sebanyak 250 gram yang suhunya 10°C dicampur dengan 200 gram air yang suhunya 100°C. hitung suhu akhir campuran!

Penyelesaian:

Diketahui : m₁ = 250 gram = o,25 kg ∆T₂ = 100 - T₂

∆T₁ = T₂ - 10 C = 4.200 J/kg°C

Ditanya : T₂

Jawab : Jumlah kalor yang diserap = jumlah kalor yang diterima

Q₁ = Q₂

m₁c₁∆T₁ = m₂c₂∆T₂

0,25 x 4.200 (T₂-10) = 0,2 X 4.200 (100 - T₂)

0,25 x (T₂-10) = 0,2 X (100 - T₂)

F. Perpindahan Kalor

Secara alamiah , kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah Terdapat tiga cara perpindahan kalor, yaitu konduksi , konveksi , dan radiasi . Untuk lebih jelasnya akan di bahas pada uraian berikut .

1. KonduksiJika ujung A sebatang logam dipanaskan di atas nyala api , maka ujung lain (B) dari

logam itu akan menjadi panas . Hal itu menunjukkan bahwa kalor itu berpindah melalui batang logam dari bagian yang panas ke bagian yang lebih dingin (A ke B) .

Perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa di sertai perpindahan partikel di namakan konduksi . Berdasarkan daya hantar kalor , benda di bedakan menjadi dua yaitu :

1) KonduktorKonduktor adalah zat yang memiliki daya hantar kalor baik , Contohnya : besi , baja , tembaga , alumunium , dll.

2) IsolatorIsolator adalah zat yang memiliki daya hantar kalor kurang baik , contohnya : plastic ,kayu , kertas , kaca , dll.

2. Konveksi

Konveksi atau aliran adalah perpindahan panas atau kalor di sertai dengan perpindahan partikel-partikel zat tersebut karena perbedaan massa jenis zat . Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi pada zat cair dan gas .

a. Konveksi pada Zat Cair

Air jika dipanaskan akan memuai sehingga massa jenisnya akan berkurang . Karena massa jenisnya berkurang , air bergerak naik. Tempatnya digantikan oleh air yang suhunya lebih rendah , bergerak turun karena massa jenisnya lebih besar . Gerakan atau aliran air itu tampak jelas jika kedalam air tersebut dimasukkan zat pewarna .

b. Konveksi pada GasTerjadi karena perbedaan tekanan udara . Udara panas naik dan udara yang lebih dingin

turun . Angin laut dan angin darat merupakan contoh peristiwa alam yang melibatkan arus konveksi pada gas .

Pada siang hari daratan lebih cepat panas daripada lautan . Hal ini mengakibatkan udara panas didaratan akan naik dan tempat tersebut akan diisi oleh udara dingin dari permukaan laut , sehingga terjadi gerakan udara dari laut menuju ke darat yang biasa disebut angin laut .

Pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada lautan . Hal ini mengakibatkan udara panas di permukaan air laut naik dan tempat tersebut diisi oleh udara dingin dari daratan , sehingga terjadi gerakan udara dari darat menuju laut yang biasa di sebut angin darat . Angin darat terjadi pada malam hari, biasa di gunakan oleh nelayan tradisional untuk mencari ikan .

3. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan energy kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik . Energi matahari yang sampai ke bumi terjadi secara radiasi atau pancaran tanpa melalui zat perantara . Pada umumnya benda yang berpijar memancarkan panas . Pancaran panas itu sebagian diserap oleh benda dan sebagian dipantulkan . Besarnya radiasi kalor yang dipancarkan atau diserap oleh suatu benda bergantung pada warna benda . Benda-benda berwarna terang dan mengkilap merupakan penyerap sekaligus pemancar kalor yang buruk , sedangkan benda-benda berwarna gelap merupakan penyerap sekaligus pemancar kalor yang baik .

Itulah sebabnya mengapa tubuh kita terasa lebih panas apabila memakai baju hitam di siang hari . Warna hitam merupakan warna gelap penyerap kalor yang baik sehingga banyak menyerap kalor yang baik sehingga lebih banyak menyerap kalor yang dipancarkan matahari .

Radiasi banyak dimanfaatkan orang , dari yang sederhana seperti api unggun dan pendingin rumah (khususnya di Negara-negara yang memiliki musim dingin) , sampai pada yang agak kompleks seperti termos dan rumah kaca .

Manfaat Kalor dalam Kehidupan sehari-hari

Dalam kehidupan sehari-hari banyak kita jumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya menggunakan konsep perpindahan kalor misalnya panic tekan (press cooker) , seterika , alat penyulingan, dan alat pendingin . Berikut beberapa contoh penerapan perpindahan kalor secara radiasi dalam kehidupan sehari-hari .

a. Pada siang hari yang panas, orang lebih suka memakai baju yang lebih cerah daripada baju gelap . Hal ini bertujuan untuk mengurangi penyerapan kalor .

b. Cat mobil atau motor dibuat mengkilap untuk mengurangi penyerapan kalorc. Dinding termos dilapisi perak yang bertujuan untuk mencegah hilangnya kalor secara

radiasi . Ruang hampa antara dinding kaca pada termos bertujuan untuk mencegah perpindahan kalor secara konveksi .