Lembar Kerja Siswa Topik: Suhu dan Kalor

Sub Topik: Kalor

Lembar kerja ini untuk digunakan oleh siswa bersama dengan pengoperasian softwre ”Pesona Fisika SMA” oleh guru. Kita akan mempelajari topik ”Suhu dan Kalor” Gb. (a), sub topik ”Kalor” Gb. (b), yang terdiri dari lima sub sub topik, seperti tampak dalam tayangan berikut ini.

(a)

(b)

1

PENGERTIAN KALOR LK 1. Amati. Kita akan mempelajari “kalor” hubungannya dengan “panas”

dan “suhu”. Kalor bukanlah energi yang dikandung sebuah benda, melainkan energi yang berpindah dari satu benda ke benda lain karena perbedaan suhu. Perhatikan uraiannya.

LK 2. Amati. Untuk menyatakan energi yang dikandung sebuah benda digunakanlah istilah “energi panas” atau “energi dalam”. Istilah itu berkaitan dengan gerak molekul-molekul penyusun benda. “Energi panas” atau “energi dalam” adalah energi kinetik total semua molekul yang dimiliki benda. Sedangkan “suhu” menunjukkan energi kinetik rata-rata masing-masing molekul. Perhatikan uraiannya.

2

LK 3. Amati. Hubungan antara “kalor”, “energi dalam”, dan “suhu” benda akan diperjelas oleh tayangan berikut ini. Perhatikan.

(a)

(b)

LK 4. Kerjakan. Isilah titik-titik di bawah ini dengan (a) “energi kalor”, (b) “energi kinetik rata-rata masing-masing molekul”, atau (c) “energi kinetik total semua molekul”. Pada Gb. (a) 1. Ketika mulai disentuhkan, suhu kedua benda berbeda; berarti

................................................................... nya berbeda. 2. Energi-dalam benda yang di sebelah kanan berkurang; berarti

.................................................... nya berkurang. Pada saat yang sama energi-dalam benda yang di sebelah kiri bertambah; berarti .................................................... nya bertambah.

3

3. Setelah setimbang suhu kedua benda menjadi sama. Tetapi, energi-dalam kedua benda belum tentu sama. Alasannya karena ................................................................. ditentukan oleh jumlah molekul yang dimiliki oleh suatu benda.

Pada Gb. (b) 1. Selama disentuhkan, terjadi aliran ....................................................

dari benda yang bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. 2. Setelah setimbang, yang pasti sama dari kedua benda adalah

...........................................................................................................

LK 5. Amati. Percobaan Joule dalam tayangan berikut ini membuktikan bahwa kalor adalah suatu bentuk energi. Energi kalor dapat ditimbulkan dari energi bentuk lain. Jadi, untuk menaikkan suhu air tidak selalu dengan memanaskan atau menyentuhkannya dengan benda lain yang bersuhu lebih tinggi. Perhatikan cara lain berikut ini.

Dalam tayangan di atas, 1. Energi apa yang diubah menjadi energi kalor? ................................. 2. Apa buktinya bahwa energi kalor telah timbul dalam air itu?

........................................................................................................... 3. Sebutkan cara untuk memanaskan sebotol air menggunakan

prinsip percobaan Joule di atas. ........................................................ 4. Mengapa kalau telapak tangan kita saling digosokkan terasa

panas? ...............................................................................................

4

LK 6. Amati. Kalor merupakan suatu besaran, yang mempunyai satuan. Kalor dapat dinyatakan dalam satuan Joule, kalori (disingkat kal), atau kilo kalori (disingkat kkal). Perhatikan penjelasannya.

LK 6. Kerjakan. Untuk lebih memahami satuan-satuan kalor jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut ini.

1. Untuk menaikkan suhu 1 g air dengan 10 C atau 1 K diperlukan

kalor sebesar ... kal atau ... Joule. 2. Untuk menaikkan suhu 1 kg air dengan 10 C atau 1 K diperlukan

kalor sebesar ... kkal atau ... Joule.

5

LK 7. Latihan. Untuk merangkum pengertian kalor, kerjakan soal-soal berikut ini. 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Kalor dapat mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Dapatkah kalor dianalogikan dengan air, yang mengalir dari tempat tinggi ke tempat rendah? Jelaskan. ................................ ........................................................................................................... Benda A dan B terbuat dari logam; suhu dan massanya berbeda.

tA = 1000 C tB = 500 C

A B

mA = 10 kg mB = 20 kg

a. Mana yang energi kinetik rata-rata molekulnya lebih tinggi? ....... b. Jika A dan B disentuhkan ke arah mana kalor mengalir? ............ c. Setelah keduanya setimbang -- suhunya sama, mana yang

energi dalamnya lebih tinggi? Jelaskan. ...................................... ......................................................................................................

Kalau ada energi dalam, apakah juga ada energi luar? Jelaskan menggunakan contoh air dalam ceret yang sedang dipanaskan sampai mendidih. ............................................................................. ........................................................................................................... Percobaan Joule membuktikan bahwa kalor adalah bentuk energi. Bagaimana cara membuktikan? ........................................................ ........................................................................................................... Selain energi mekanik, energi apa lagi yang dapat diubah menjadi kalor? Berikan contoh dalam kehidupan sehari-hari. ........................ ........................................................................................................... Apa satuan kalor dalam SI? Apa satuan kalor yang sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari? Sebutkan definisi masing-masing satuan itu. Bagaimana konversi antara keduanya? .............. ........................................................................................................... Inilah informasi yang terdapat dalam menu diet, untuk mengatur berat badan: Untuk menurunkan berat badan, 1500 kal per hari. Untuk mempertahankan berat badan, 1800 kal per hari. Untuk menaikkan berat badan, 2100 kal per hari. Data itu menunjukkan tentang apa? ..................................................................................... ...........................................................................................................

6

KALOR JENIS LK 8. Amati. Perhatikan perbedaan antara air dan besi ditinjau dari

kemampuannya menyerap kalor. Perbedaan itu dinyatakan dengan istilah “kalor jenis”. Ikuti penjelasannya.

Dalam tayangan di atas, 1. Samakah massa air dengan massa besi? ........................................ 2. Samakah kalor yang diserap air dengan yang diserap besi? ........... 3. Samakah kenaikan suhu air dengan kenaikan suhu besi? Jika

tidak, manakah yang lebih besar? ..................................................... 4. Manakah yang kalor jenisnya lebih besar? Mengapa? .....................

...........................................................................................................

LK 9. Amati. Kalor jenis dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena dalam kehidupan sehari-hari. Perhatikan salah satu contohnya.

7

Dalam tayangan di atas, 1. Pada siang hari, manakah yang suhunya lebih tinggi, daratan atau

lautan? Beri alasan. ......................................................................... 2. Beri alasan pertanyaan no. 1 dengan menggunakan istilah “kalor

jenis” .................................................................................................. 3. Pada siang hari, manakah yang tekanan udaranya lebih tinggi, di

atas daratan atau di atas lautan? Mengapa? ................................... 4. Pada siang hari cenderung bertiup angin darat atau angin laut? ..... 5. Pada malam hari, manakah yang suhunya lebih tinggi, daratan atau

lautan? Beri alasan. .......................................................................... 6. Beri alasan pertanyaan no. 5 dengan menggunakan istilah “kalor

jenis”. ................................................................................................. 7. Pada malam hari, manakah yang tekanan udaranya lebih tinggi, di

atas daratan atau di atas lautan? Mengapa? ................................... 8. Pada malam hari cenderung bertiup angin darat atau angin laut? ...

LK 10. Amati. Perhatikan rangkaian percobaan untuk menentukan kalor jenis air berikut ini.

(a)

8

(b)

(c)

Pada Gb. (a) 1. 2. 3. 4.

5.

6.

7.

8.

Apakah ketiga tungku itu menyala sama besar?................................ Tungku mana yang menyala paling lama?......................................... Tungku mana yang memberikan kalor (Q) paling besar? ................. Apa yang sama dalam percobaan itu: massa air (m), kalor yang diserap oleh air (Q), atau kenaikan suhu air (∆T)? ............................ Apa variabel bebas dalam percobaan itu? Apa variabel terikatnya? ........................................................................................................... Percobaan itu menyelidiki tentang apa? ........................................... ........................................................................................................... Grafik antara Q dengan m berbentuk garis lurus miring. Apa artinya? .............................................................................................. Secara matematis hubungan Q dengan m itu dituliskan sebagai: ....

9

Pada Gb. (b) 1.

2.

3.

4.

5.

1.

2.

Apa yang sama dalam peristiwa itu: massa air (m), kalor yang diserap oleh air (Q), atau kenaikan suhu air (∆T)? ............................ Apa variabel bebas dalam percobaan itu? Apa variabel terikatnya? ........................................................................................................... Percobaan itu menyelidiki tentang apa? ........................................... ........................................................................................................... Grafik antara Q dengan ∆T berbentuk garis lurus miring. Apa artinya? .............................................................................................. Secara matematis hubungan Q dengan ∆T itu dituliskan sebagai: ...

Pada Gb. (c) Secara matematis jika Q ∝ m dan Q ∝ ∆T, maka Q ∝ m ∆T. Artinya Q / m ∆T harganya selalu konstan. Konstanta itu selanjutnya diberi nama “kalor jenis” dengan simbul c, sehingga Q / m ∆T = c. Dalam percobaan Gb. (c) di atas, a. Jika kalor yang diberikan pada air (Q) diperbesar apakah harga

c berubah? ................................................................................... b. Jika massa air (m) diperbesar apakah harga c berubah? ............ c. Jika kenaikan suhu (∆T) diperbesar apakah harga c berubah? ... d. Apa yang bisa membuat harga c berubah? ................................. Perhatikan data dalam Tabel 1 berikut ini.

Tabel 1. Kalor Jenis berbagai Zat _____________________________________________________ No. Nama Zat Satuan ________________________________

kkal/kg C0 J/kg C0 _____________________________________________________ 1. Aluminium 0,22 900 2. Tembaga 0,093 390 3. Gelas 0,20 840 4. Besi atau baja 0,11 450 5. Timbal 0,031 130 6. Marmer 0,21 860 7. Perak 0,056 230 8. Kayu 0,4 1700 9. Alkohol 0,58 2400 10. Air raksa 0,033 140 11. Air

Es -50C 0,50 2100 Air 150C 1,00 4186

Uap 1100C 0,48 2010 12. Tubuh manusia 0,83 3470 13. Protein 0,4 1700 _____________________________________________________

10

a. Zat apa yang kalor jenisnya paling besar, dan apa yang paling kecil? Apa artinya itu? .................................................................. ......................................................................................................

b. Kalor jenis badan kita hampir sama besar dengan kalor jenis air. Apa sebabnya kira-kira? ..............................................................

LK 11. Latihan. Untuk merangkum fakta dan prinsip tentang Kalor Jenis,

kerjakan soal-soal berikut ini. Gunakan data dalam Tabel 1. 1. Faktor-faktor apa yang menentukan jumlah kalor (Q) yang dapat

diserap oleh suatu benda? Tuliskan persamaan matematisnya. ...........................................................................................................

2. Berapa kalor yang diperlukan untuk memanaskan 5 kg air dari suhu kamar (300C) sampai mendidih (1000 C)? Nyatakan dalam satuan kkal, Joule, dan kal. Tunjukkan perhitungannya. .............................. ...........................................................................................................

3. Segelas air suhu 800 C diletakkan di ruang terbuka sampai suhunya setimbang. Berapakah kalor yang dilepaskan oleh air dan gelas itu? (Massa air 0,2 kg; massa gelas 0,1 kg; dan suhu ruangan 300 C). Tunjukkan perhitungannya. ..................................... ...........................................................................................................

4. Air dipilih sebagai cairan untuk mengisi radiator mesin. Apa alasannya? ........................................................................................

5. Dua penggorengan yang massanya sama terbuat dari bahan yang berbeda, yaitu aluminium dan tembaga? Ditinjau dari panas yang ditimbulkan, mana yang lebih baik? Beri alasan. .............................. ...........................................................................................................

KAPASITAS KALOR LK 12. Untuk “zat”, biasanya diberikan data tentang kalor jenisnya (c). Tetapi

untuk “benda” atau “barang”, biasanya diberikan data tentang kapasitas kalornya (C). Perhatikan uraiannya.

11

Dalam tayangan di atas 1. Apakah bahan kedua benda yang dipanaskan itu sama? Dari mana

tahunya? ........................................................................................... 2. Apakah massa kedua benda sama? ................................................. 3. Apakah kalor jenis kedua benda sama? ........................................... 4. Apakah kedua kompor itu menyala sama kuat? ............................... 5. Apakah kedua kompor itu menyala dalam selang waktu yang

sama? Dari mana tahunya? .............................................................. 6. Apakah kenaikan suhu yang dialami kedua benda sama? ............... 7. Ada dua grafik berbentuk garis lurus miring, yang satu agak landai

dan satu lagi agak curam. Yang landai untuk benda yang kecil (Benda 1) atau benda yang besar (Benda 2)? ..................................

8. Untuk Benda 1 grafiknya berbentuk garis lurus miring. Apa artinya? Bagaimana persamaan matematisnya? ............................................ ...........................................................................................................

9. Untuk Benda 2 grafiknya juga berbentuk garis lurus miring. Apa artinya? Bagaimana persamaan matematisnya? .............................. ...........................................................................................................

10. Kedua grafik itu berbeda kemiringannya. Apa artinya? ..................... ...........................................................................................................

11. Dari kedua grafik itu, secara umum bagaimana persamaan matematis yang menghubungkan kalor (Q) dengan perubahan suhu (∆T)? .........................................................................................

12. Apa yang menentukan kapasitas kalor (C) suatu benda? Berikan persamaan matematisnya..................................................................

HUKUM KEKEKALAN ENERGI LK 13. Amati. Jika dua benda yang berbeda suhu saling disentuhkan, ada

yang melepaskan kalor dan ada yang menyerap atau menerima kalor. Jika tidak ada pihak lain yang terlibat, tentu saja jumlah “kalor yang dilepas” akan sama dengan jumlah “kalor yang diterima”, Gb (a).

(a)

12

Penomena di atas sudah tidak diragukan lagi kebenarannya, dan disebut Hukum Kekekalan Energi. Hukum itu pertama kali diselidiki oleh Josep Black, dan dikenal dengan Azas Black, Gb. (b).

(b)

LK 14. Kerjakan. Alat dalam percobaan Gb. (a) disebut “kalorimeter”. Biasanya ada tabung-luarnya agar pengaruh udara sekitar dapat diminimalkan. “Kalor yang dilepas = kalor yang diterima” hanya dapat diperoleh jika isolasi oleh tabung luar dilakukan secara ketat. Kalor yang diserap oleh tabung-dalam (tabung kalorimeter) juga harus diperhitungkan. Kalorimeter biasanya digunakan untuk mengetahui kalor jenis suatu zat, seperti pada Gb. (c) berikut ini. Hitunglah.

Jika setelah logam dicelupkandalam air suhu akhirnya takhir = 500

C, 1. Kalor yang diserap air (Q1) =

....................................................2. Kalor yang diserap tabung

kalorimeter (Q2) = ....................................................

3. Kalor yang dilepas logam (Q3) =....................................................

4. Menemukan kalor jenis logam(clogam) menggunakan AzasBlack: Q yang diserap = Q yangdilepas, Q1 + Q2 = Q3 ........................................................................................................

Air, m = 0,2 kg cair = 4180 J/kg Kt1 = 300 C

takhir = 500 C

Kalorimeter, C = 0,10 J/K Gb. (c) Kalorimeter

Logam, m = 0,3 kg clogam = ? t2 = 1000 C

13

PERUBAHAN WUJUD LK 15. Amati. Kalor di samping bisa “menaikkan suhu” zat, juga dapat

“mengubah wujud” zat itu. Sebagaimana diketahui ada tiga wujud zat, yaitu padat, cair, dan gas. Gb. (a) di bawah ini menunjukkan contoh perubahan wujud zat dari padat ke cair, yang disebut mencair. Gb. (b) menunjukkan contoh perubahan wujud zat dari cair ke gas, yang disebut menguap. Gb. (c) menunjukkan contoh perubahan wujud zat dari cair ke padat, yang disebut membeku.

(a)

(b)

14

(c)

LK 16. Amati. Apakah kalor yang diberikan kepada suatu zat selalu menimbulkan kenaikan suhu? Perhatikan rangkaian gambar berikut ini.

Gb. (a) menunjukkan rencana pemberian kalor (Qtotal) kepada es melewati

tiga perubahan wujud sekaligus: padat, cair, dan gas atau uap. Gb. (b) menunjukkan pemberian kalor (Q1) pada es untuk “perubahan suhu”. Gb. (c) menunjukkan pemberian kalor (Q2) pada es untuk “perubahan wujud”

dari padat menjadi cair (mencair). Gb. (d) menunjukkan pemberian kalor (Q3) pada air untuk “perubahan suhu”. Gb. (e) menunjukkan pemberian kalor (Q4) pada air untuk “perubahan wujud”

dari cair menjadi uap (menguap). Gb. (f) menunjukkan pemberian kalor (Q5) pada uap untuk “perubahan suhu”. Gb. (g) menunjukkan perhitungan keseluruhan kalor (Qtotal) yang diberikan

untuk mengubah es suhu -300C menjadi uap air suhu 1200C.

(a)

15

Pada Gb. (a) 1. Antara suhu -300 C dan 1200 C ada suhu-suhu yang penting bagi

es dalam menyerap kalor. Tuliskan suhu-suhu itu dengan namanya. ...........................................................................................

2. Apa beda es suhu -300 C dengan es di udara terbuka ditinjau dari penampakannya? ..............................................................................

(b) Pada Gb. (b) 1. Es suhu -300C jika dipanaskan tidak langsung meleleh. Perubahan

apa yang terjadi? Berapa suhu tertinggi yang dapat dicapai? ...........................................................................................................

2. Tuliskan rumus yang digunakan untuk menghitung kalor yang diserap oleh es. Jelaskan arti masing-masing simbol ....................... ...........................................................................................................

3. Dengan melihat data pada sumbu X, berapa kalor yang diserap oleh es? .............................................................................................

16

(c) Pada Gb. (c) 1. Es yang sudah mencapai suhu 00C jika dipanaskan terus suhunya

tidak akan naik. Perubahan apa yang terjadi? .................................. 2. Tuliskan rumus yang digunakan untuk menghitung kalor yang

diserap oleh es. Jelaskan arti masing-masing simbol ....................... ...........................................................................................................

3. Dengan melihat data pada sumbu X, berapa kalor yang diserap es? ...........................................................................................................

4. Sebelum habis seluruhnya menjadi air, es tampak terapung di permukaan air. Mengapa demikian? .................................................

(d)

17

Pada Gb. (d) 1. Air suhu 00C jika dipanaskan suhunya akan naik. Berapakah suhu

tertinggi yang dapat dicapai?............................................................. 2. Tuliskan rumus yang digunakan untuk menghitung kalor yang

diserap oleh air. Jelaskan arti masing-masing simbol ....................... ...........................................................................................................

3. Dengan melihat data pada sumbu X, berapa kalor yang diserap oleh air? .............................................................................................

(e) Pada Gb. (e) 1. Air suhu 1000C jika dipanaskan terus suhunya tidak akan naik.

Perubahan apa yang terjadi? ............................................................ 2. Tuliskan rumus yang digunakan untuk menghitung kalor yang

diserap oleh es. Jelaskan arti masing-masing simbol ....................... ...........................................................................................................

3. Dengan melihat data pada sumbu X, berapa kalor yang diserap air? ....................................................................................................

18

(f) Pada Gb. (f) 1. Uap air suhu 1000C jika dipanaskan terus suhunya akan naik. Pada

gambar itu berapakah suhu tertingginya?.......................................... 2. Tuliskan rumus yang digunakan untuk menghitung kalor yang

diserap oleh es. Jelaskan arti masing-masing simbol ....................... ...........................................................................................................

3. Dengan melihat data pada sumbu X, berapa kalor yang diserap uap air? .............................................................................................

(g)

Pada Gb. (g) 1. Dengan melihat data pada sumbu X, berapa kalor yang diperlukan

untuk mengubah es suhu -300 C menjadi uap suhu 1200 C? ............

19

LK 17. Amati. Perhatikan rumus untuk mencari kalor lebur (LF) dan kalor uap (LV), dan data kalor lebur dan kalor uap berbagai zat. (L = latent, F = fluid atau cair, dan V = vapour atau uap).

(a)

(b) Pada Gb. (a) 1. Mana yang lebih besar, kalor untuk meleburkan 1 kg es atau 1 kg

emas, pada titik lebur masing-masing? ............................................. 2. Air masa 1 kg yang diberi kalor 22,56 x 103 J berubah menjadi uap

seluruhnya. Berapakah suhu air itu? ................................................. 3. Pada titik leburnya 2 kg perak dipanaskan sampai seluruhnya tepat

menjadi uap. Berpakah kalor yang diperlukan? ................................ Pada Gb. (b)

1. Dapatkah gas hidrogen dan oksigen berwujud padat? Beri alasan. ...........................................................................................................

20