Pengantar

kalau orang yang gemuk ingin mengurangi lemak, maka ia harus banyak berolahraga, misalnya lari-lari di malam hari atau berenang di kolam renang. Pokoknya olahraga-lah…. Kenapa ya, si gemuk di suruh harus banyak olahraga. Semuanya kok mau jadi atlet….

Btw, dirimu suka makan khan ? ya, iyalah… paling hobi kalau soal makan. Pagi ngemil, sore pun ngemil… Kalau beli biskuit, dirimu biasa baca2 tulisan yang ada di bungkusan tidak ? Protein 30 kkal. lemak 20 kkal. karbohidrat 40 kkal. besi 10 kkal. batu 15 kkal. pasir 90 kkal… tuh maksudnya apa ya ? Hiks2… Bingungkah ? Met belajar ya…

Catatan :

Lebih baik gurumuda pakai istilah kalor saja. Memang nama lain dari kalor adalah panas, tapi nanti dirimu bisa bingung… Masalahnya kata panas (dalam hal ini panas = kalor), mirip dengan kata panas dalam kalimat : tubuh yang panas, air panas dkk. Jadi biar lebih aman, gurumuda pakai kata kalor saja. Btw, dirimu jangan lupa ya, nama lain dari kalor tuh panas…

 

Konsep Kalor

Pernah minum es teh, es susu, es sirup dkk ? Nah, ketika membuat es teh, biasanya kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Air panas atau air hangat memiliki suhu yang lebih tinggi, sebaliknya es batu memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah bersenggolan beberapa saat, campuran es batu dan teh panas pun berubah menjadi es teh (campuran es batu dan teh hangat telah mencapai suhu yang sama). Proses yang sama terjadi ketika kita mencampur air panas dengan air dingin. Setelah bersentuhan, air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat… (Campuran air panas dan air dingin telah mencapai suhu yang sama). Btw, mengapa bisa terjadi seperti itu ? maksudnya, mengapa setelah bersentuhan benda-benda tersebut bisa mencapai suhu yang sama ? bingun, sebel, pusink… huft. he2…

Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Ketika kita memasukkan besi panas ke dalam air dingin, kalor mengalir dari besi menuju air. Kalor akan berhenti mengalir setelah besi dan air mencapai suhu yang sama. Ketika dokter atau perawat menempelkan termometer ke tubuhmu (misalnya kalau dirimu lagi demam), kalor mengalir dari tubuhmu menuju termometer. Kalor akan berhenti mengalir kalau tubuhmu dan termometer telah mencapai suhu yang sama. Kalau termometernya pakai air raksa, maka ketika tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama, air raksa tidak jalan-jalan lagi. Angka yang ditunjukkan permukaan air raksa merupakan suhu tubuhmu saat itu. Kalau termometer yang dipakai berupa termometer digital, angka pada bagian tengah termometer akan terhenti setelah tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama. Angka yang ditunjukkan termometer adalah suhu tubuhmu.

Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung menyamakan suhu benda yang bersentuhan. Jangan tanya gurumuda mengapa demikian… dari sononya memang sudah begitu. Mirip seperti kalau dirimu lihat cewek atau cowok cakep, dirimu penasaran. Lagi kangen berat sama pacar, malamnya cuma bolak balik di tempat tidur. Mengapa bisa demikian ? dari sononya sudah begitu mengapa laki2 harus kawin dengan perempuan ? dari sononya sudah begitu… mengapa tikus tidak pacaran dengan kucing ? dari sononya sudah begitu…

Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakan Caloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.

Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.

 

Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil, maka kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.

Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).

Dirimu jangan pake bingung dengan konsep usaha dan energi ini… Mirip seperti ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok. Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi dalam tubuhmu berkurang, di mana sebagian energi dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv². m = massa motor, v = kecepatan motor). Energi sepeda motor ini sebenarnya berasal dari energi tubuhmu. Kesimpulan : kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha/kerja pada motor, energi dari tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor. Kasus ini mirip dengan percobaan om Jimi di atas. Ketika berputar dalam air, pengaduk melakukan kerja/usaha pada air sehingga energi pengaduk dipindahkan ke air. Adanya tambahan energi dari pengaduk ini yang membuat si air kepanasan (suhu air meningkat).

Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena adanya aliran kalor dari api menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat). Amati gambar di bawah….

 

Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya merupakan pemindahan energi. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu). Kalor adalah energi yang berpindah. Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda2 yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 C^o (Tepatnya dari 14,5 ^oC menjadi 15,5 ^oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda2 untuk suhu air yang berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 ^oC hanya terjadi antara suhu 14,5 ^oC sampai 15,5 ^oC. Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar).

Satuan kalor untuk sistem Bristish adalah Btu (British thermal unit = satuan termal Inggris). 1 Btu = jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pound air sebesar 1 F^o (Tepatnya dari 63 ^oF menjadi 64 ^oF) .

Kalor memiliki keterkaitan dengan energi (Dalam hal ini, kalor merupakan “energi yang berpindah”), karenanya kita perlu mengetahui hubungan antara satuan kalor dengan satuan energi. Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh om Jimi dan percobaan2 sejenis lainnya, diketahui bahwa usaha alias kerja sebesar 4,186 Joule setara dengan 1 kalori kalor.

1 kalori = 4,186 Joule

1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

1 Btu = 778 ft.lb = 252 kalori = 1055 Joule

 

(1 kalori = 4,186 Joule dan 1 kkal = 4186 dikenal dengan julukan tara kalor mekanik)

 

Catatan :

Kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule. Gunakan tara kalor mekanik di atas untuk mengoprek Joule ke kal dan kkal, atau sebaliknya kal dan kkal dioprek menjadi Joule.

 

Contoh soal 1 :

Pada bungkusan sebuah biskuit terdapat tulisan : karbohidrat = 10 kkal. Berapakah tambahan energi yang diperoleh tubuh jika biskuit tersebut dimakan ?

Panduan Jawaban :

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

10 kkal = (10)(4186 Joule) = 41.860 Joule

Catatan :

Tubuh kita tidak mengubah semua karbohidrat menjadi energi. Sebagian energi pasti terbuang selama berlangsungnya proses pencernaan….. Efisiensinya sebesar 20 %. Jadi hanya 20 % yang dipakai tubuh, 80 % energi terbuang.

 

Contoh soal 2 :

Setelah menghabiskan banyak cemilan, seorang gadis yang sangat cantik baru sadar kalau ia telah kelebihan makan 200 Kalori (huruf K besar). Si gadis ingin mengurangi kelebihan energi yang diperolehnya dari cemilan. Karenanya ia memutuskan untuk mengangkat batu dari permukaan tanah hingga ketinggian 1 meter. Jika massa batu = 10 kg, berapa kalikah si gadis harus mengangkat batu tersebut ?

Panduan Jawaban :

1 Kalori = 1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

200 kkal = (200)(4186 Joule) = 837.200 Joule

Ketika mengangkat batu, si gadis melakukan usaha alias kerja pada batu. Besarnya usaha yang dilakukan adalah :

Usaha (W) = Gaya (F) x Perpindahan (s) = Gaya berat (w) x ketinggian (h) = massa (m) x percepatan gravitasi (g) x Ketinggian (h)

Usaha (W) = (10 kg)(10 m/s²)(1 m)

Usaha (W) = 100 N.m = 100 Joule

Untuk mengangkat batu setinggi 1 meter, besarnya usaha yang dilakukan = 100 Joule. Pertanyaannya, berapa kali si gadis harus mengangkat batu…

837.200 Joule / 100 Joule = 8372.

Hahaha….. si gadis harus mengangkat batu 8372 kali sampai teler

Catatan :

Pertama, tidak semua makanan diubah menjadi energi. Selama proses pencernaan, pasti ada energi yang terbuang. Kedua, jika gadis tersebut mengangkat batu bermassa 10 kg hingga ketinggian 1 meter maka ia harus mengangkat batu tersebut sebanyak 8372 kali. Jika gadis tersebut tidak ingin mengangkat batu sebanyak 8372 kali, ia bisa menambah massa batu atau menambah ketinggian.

 

PERSAMAAN KALOR

Jika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, dengan sendirinya kalor mengalir dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang memiliki suhu rendah. Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda mencapai suhu yang sama. Kita bisa mengatakan bahwa aliran kalor menyebabkan perubahan suhu pada benda yang bersentuhan. Berdasarkan penjelasan singkat ini, bisa disimpulkan bahwa kalor (Q) memiliki keterkaitan dengan suatu benda dan perubahan suhu (delta T) yang dialami benda tersebut. Ingat ya, setiap benda pasti mempunyai massa (m) dan jenis benda juga berbeda-beda.

Pada kesempatan ini, kita mencoba menyelidiki bagaimana hubungan antara jumlah kalor (Q) dengan besarnya perubahan suhu (delta T), massa benda dan jenis benda. Untuk membantu menurunkan hubungan ini, alangkah baiknya jika kita tinjau 2 benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Misalnya kita memanaskan air menggunakan nyala api kompor.

Catatan :

Perlu diketahui bahwa gurumuda hanya membuat penalaran saja dan contoh yang gurumuda pakai juga dekat dengan kehidupanmu, karenanya mudah2an dirimu cepat paham. Kalau bingung dengan penjelasan gurumuda, dirimu bisa melakukan percobaan (di rumah atau di sekolah).

 

Hubungan antara Kalor (Q) dan Perubahan suhu (delta T)

Misalnya kita ingin memanaskan segelas air. Setelah dipanaskan, suhu air pasti bertambah (air mengalami perubahan suhu). Apabila nyala api kecil, perubahan suhu yang dialami air juga kecil. Sebaliknya jika ketika memanaskan air, nyala api lebih besar, perubahan suhu yang dialami air pasti lebih besar (air lebih cepat panas)

Untuk membantu memahami persoalan ini, coba lakukan percobaan kecil2an berikut ini. Sediakan dua gelas air, termometer dan pemanas air (gunakan pemanas yang bisa dikontrol, misalnya kompor dll). Percobaan 1 : Masukan segelas air dalam sebuah wadah dan panaskan air tersebut selama 5 menit. Gunakan termometer untuk mengukur suhu akhir (suhu air setelah dipanaskan selama 5 menit). Catat suhu air tersebut… Percobaan 2 : Kalau wadahnya masih panas, dinginkan terlebih dahulu. Buang saja air yang sudah kepanasan tadi dan ganti dengan segelas air yang masih dingin. Kali ini nyala api diperbesar 2 kali… Silahkan panaskan air tersebut selama 5 menit. Setelah itu ukur suhu akhir air… Bandingkan suhu akhir air yang diperoleh pada percobaan 2 dengan percobaan 1. Manakah yang mengalami perubahan suhu yang lebih besar ? Kalau percobaan dilakukan dengan baik dan benar, dirimu pasti setuju kalau gurumuda mengatakan bahwa perubahan suhu air dalam percobaan 2 lebih besar daripada perubahan suhu air pada percobaan 1.

Nyala api dalam percobaan mewakili jumlah kalor (Q). Pada percobaan 1, nyala api kecil (Q kecil). Sebaliknya pada percobaan 2, nyala api besar (Q besar). Apabila Q kecil, perubahan suhu juga kecil. Sebaliknya jika Q besar, perubahan suhu juga besar. Semakin besar Q, semakin besar perubahan suhu benda. Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan perubahan suhu yang dialami benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m)

Sekarang mari kita tinjau hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m). Mula-mula kita memanaskan segelas air, setelah itu kita memanaskan 2 gelas air. Jika nyala api sama dan suhu air mula2 juga sama, manakah yang lebih cepat panas : segelas air atau 2 gelas air ? Jika dirimu pernah memanaskan air, dirimu akan setuju kalau gurumuda mengatakan segelas air akan lebih cepat panas daripada 2 gelas air. Dengan kata lain, untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air membutuhkan selang waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan 2 gelas air. Jika kita ingin agar selang waktu kenaikan suhu segelas air dan 2 gelas air sama, maka ketika memanaskan 2 gelas air, nyala api harus diperbesar 2 kali.

Besarnya nyala api mewakili jumlah kalor (Q) sedangkan segelas air dan 2 gelas air mewakili massa air tersebut. Segelas air mempunyai massa (m) yang lebih kecil, sedangkan 2 gelas air mempunyai massa (m) yang lebih besar. Untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air (m kecil) membutuhkan nyala api yang lebih kecil (Q kecil) sedangkan 2 gelas air (m besar) membutuhkan nyala api yang lebih besar (Q besar). Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa air. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa (m) dapat ditulis sebagai berikut :

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan Jenis benda (m)

Untuk membantu menurunkan hubungan antara kalor (Q) dan jenis benda, lakukan percobaan berikut ini. Siapkan sepotong besi dan sepotong kayu (usahakan panjangnya harus sama). Panaskan besi dan kayu tersebut dengan nyala lilin. Walaupun nyala lilin sama, biasanya besi akan lebih cepat panas daripada kayu (malah kayu bisa kebakar ). Pada dasarnya, jika jenis benda berbeda maka perubahan suhu yang dialami benda juga berbeda-beda. Hal ini disebabkan karena sifat setiap benda berbeda. Kita bisa mengatakan bahwa kalor (Q) sebanding dengan jenis benda. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan jenis benda dapat ditulis sebagai berikut :

Persamaan 1, persamaan 2 dan persamaan 3 bisa ditulis kembali sebagai berikut :

Persamaan ini menyatakan hubungan antara Kalor (Q) dengan massa benda (m), kalor jenis (c) dan perubahan suhu (delta T).

Keterangan :

 

KALOR JENIS (c – huruf c kecil)

Kalor jenis (c) = banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Secara matematis, kalor jenis dinyatakan melalui persamaan di bawah :

Keterangan :

c = kalor jenis

Q = kalor (J)

m = massa benda (Kg)

delta T = perubahan suhu = suhu akhir (T₂) – suhu awal (T₁). Satuannya K

(J = Joule, K = Kelvin)

 

Satuan kalor jenis benda (c)

Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :

Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K

 

KAPASITAS KALOR BENDA (C – huruf C besar)

Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar :

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

 

Satuan kapasitas kalor benda (C)

Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

 

Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan C^o, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik (tuh di atas).

 

Tabel Kalor Jenis benda (Pada tekanan 1 atm dan suhu 20 ^oC)

Catatan :

Kalor jenis benda biasanya bergantung pada suhu. Btw, apabila perubahan suhu tidak terlalu besar maka besar kalor jenis bisa dianggap tetap

Jenis Benda	Kalor Jenis (c)
	J/kg Co	kkal/kg Co
Air	4180	1,00
Alkohol (ethyl)	2400	0,57
Es	2100	0,50
Kayu	1700	0,40
Aluminium	900	0,22
Marmer	860	0,20
Kaca	840	0,20
Besi / baja	450	0,11
Tembaga	390	0,093
Perak	230	0,056
Raksa	140	0,034
Timah hitam	130	0,031
Emas	126	0,030

 

 

Contoh soal 1 :

Berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebuah kawat tembaga yang bermassa 2 kg, dari 20 ^oC sampai 80 ^oC ?

Panduan Jawaban :

 

Contoh soal 2 :

Berapakah kalor yang harus dilepaskan untuk menurunkan suhu lempeng besi yang bermassa 20 kg, dari 80 ^oC menjadi 20 ^oC ?

Panduan Jawaban :

 

Tanda negatif menunjukkan bahwa kalor tersebut dilepas

 

 

 

KALOR LATEN

Apabila kita memanaskan suatu benda, air misalnya, semakin lama si air bersentuhan dengan sumber panas (misalnya nyala api), suhu air semakin bertambah. Dalam hal ini air mengalami perubahan suhu akibat adanya tambahan kalor dari nyala api. Perlu diketahui bahwa adanya tambahan kalor tidak selamanya menyebabkan perubahan suhu. Hal ini biasanya terjadi selama proses perubahan wujud suatu benda. Untuk membuktikan hal ini, dirimu bisa melakukan percobaan kecil2an berikut ini…

Siapkan es batu secukupnya, termometer dan pemanas (gunakan saja pemanas listrik kalau ada). Masukan termometer ke dalam wadah yang berisi es batu dan tunggu sampai permukaan air raksa berhenti bergerak. Selanjutnya, nyalakan pemanas listrik. Karena mendapat tambahan kalor dari pemanas listrik maka es batu perlahan-lahan mencair. Seiring dengan mencairnya es batu, permukaan air raksa dalam termometer akan bergerak naik. Meskipun es batu selalu mendapat tambahan kalor, pada suatu titik tertentu, permukaan air raksa akan berhenti bergerak selama beberapa saat. Es batu memang tetap mencair, tapi suhunya tidak berubah. Biasanya hal ini terjadi pada titik es alias titik beku normal air. Pada tekanan atm, titik es berada pada 0 ^oC. Ingat ya, titik es berubah terhadap tekanan, karenanya termometer yang dirimu pakai belum tentu menunjuk angka 0 ^oC.

Setelah parkir sebentar di titik es, permukaan air raksa akan jalan-jalan lagi. Semakin banyak kalor yang diserap air, semakin panas air tersebut. Bertambahnya suhu air ditunjukkan oleh kenaikan permukaan air raksa dalam termometer. Walaupun tetap mendapat tambahan kalor, ketika suhu air mencapai titik uap alias titik didih normal air, permukaan air raksa akan berhenti jalan-jalan (suhu air tetap). Pada tekanan atm, titik uap berada pada 100 ^oC. Tambahan kalor yang diperoleh air dari pemanas listrik tidak membuat suhu air berubah. Tambahan kalor tersebut hanya mengubah air menjadi uap. Amati grafik di bawah….

 

Grafik ini menunjukkan proses perubahan suhu dan perubahan wujud air setelah pendapat tambahan kalor (pada tekanan 1 atm). Penambahan kalor dari b – c tidak menyebabkan perubahan suhu, tetapi hanya meleburkan es menjadi air. Demikian juga penambahan kalor dari d – e hanya mengubah air menjadi uap. Air hanya salah satu contoh saja. Pada dasarnya semua benda akan mengalami proses yang sama jika benda tersebut dipanaskan.

Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud padat menjadi cair disebut kalor peleburan. Kalor peleburan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari cair menjadi padat. Lambang kalor lebur = L_F (F = fusion). Perlu diketahui bahwa kalor yang terlibat dalam perubahan wujud benda tidak hanya bergantung pada kalor peleburan saja, tetapi juga massa benda tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Q = m L_F

Keterangan :

Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses pencairan atau pembekuan

m = massa benda

L_F = Kalor peleburan

Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud cair ke gas dinamakan kalor penguapan. Kalor penguapan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari gas menjadi cair. Lambang kalor penguapan = L_V (v = vaporization). Secara matematis, kalor yang diperlukan atau kalor yang dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan bisa ditulis sebagai berikut :

Q = m L_V

Keterangan :

Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan

m = massa benda

L_F = Kalor penguapan

 

Kalor Peleburan dan Kalor Penguapan dikenal juga dengan julukan Kalor Laten. Lambang kalor Laten = L

 

Catatan :

Setiap benda mempunyai titik lebur dan titik didih yang berbeda-beda. Kalor peleburan dan kalor penguapan setiap benda juga berbeda2. Lihat tabel di bawah.

Benda	Titik lebur		Kalor lebur (LF)		Titik didih		Kalor penguapan (LV)
	K	oC	J/Kg	Kkal/Kg = Kal/g	K	oC	J/Kg	Kkal/Kg = Kal/g
Helium	-	-	-	-	4,126	-268,93	20,9 x 103	5
Hidrogen	13,84	-259,31	58,6 x 103	14,1	20,26	-252,89	452 x 103	108,5
Nitrogen	63,18	-210	26 x 103	6,2	77,38	-195,8	200 x 103	48
Oksigen	54,36	-218,79	14 x 103	3,3	90,15	-183	210 x 103	51
Etanol	159	-114	104,2 x 103	239,75	351,15	78	850 x 103	204
Amonia	195,35	-77,8	33 x 103	8,0	239,75	-33,4	137 x 103	33
Raksa	234	-39	11,8 x 103	2,8	630	357	272 x 103	65,3
Air	273,15	0	334 x 103	79,5	373,15	100	2256 x 103	539
Sulfur	392	119	38,1 x 103	9,1	717,75	444,60	326 x 103	78,2
Timbal	600,5	327,3	24,5 x 103	5,9	2023	1750	871 x 103	209
Perak	1233,95	960,80	88,3 x 103	21,2	2466	2193	2336 x 103	560,6
Besi	2081,15	1808	289 x 103	69,1	3296,15	3023	6340 x 103	1520
Tembaga	1356	1083	134 x 103	32,2	1460	1187	5069 x 103	1216,6
Emas	1336,15	1063,00	64,5 x 103	15,5	2933	2660	1578 x 103	378,7

 

Contoh soal 1 :

Berapakah tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air ?

Panduan Jawaban :

Q = mL_F —- L_F air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)

Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)

Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 10³ kalori (huruf k kecil)

 

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)

Untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air, diperlukan tambahan kalor sebesar 397 kkal atau tambahan energi sebesar 1,66 Joule

 

Contoh soal 2 :

Berapakah jumlah kalor yang harus dilepaskan untuk mengubah 5 kg air menjadi es ?

Panduan Jawaban :

Q = mL_F —- L_F air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)

Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)

Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 10³ kalori (huruf k kecil)

 

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)

Untuk mengubah 5 kg air menjadi es, kalor yang harus dilepaskan = 397 kkal atau pengurangan energi sebesar 1,66 Joule

 

Contoh soal 3 :

Berapakah energi yang diperlukan untuk mencairkan 2 kg emas ?

Panduan jawaban :

Q = mL_F —- L_F emas = 64,5 x 10³ J/kg (lihat tabel)

Q = (2 kg) (64,5 x 10³ J/kg)

Q = 129 x 10³ Joule

 

Catatan :

Perubahan wujud suatu benda dapat dijelaskan secara lengkap menggunakan Teori Kinetik Gas.

 

KEKEKALAN ENERGI (KALOR)

Ketika benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, kalor akan mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Ingat ya, kalor adalah energi yang berpindah. Apabila benda-benda yang bersentuhan berada dalam sistem yang tertutup, maka energi akan berpindah seluruhnya dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Sebaliknya apabila benda yang bersentuhan tidak berada dalam sistem tertutup, maka tidak semua energi dari benda bersuhu tinggi berpindah menuju benda yang bersuhu rendah.

Gurumuda pakai contoh saja… Misalnya kita mencampur air panas (suhu tinggi) dengan air dingin (suhu rendah). Apabila air panas dan air dingin dicampur dalam sebuah wadah terbuka (misalnya ember), maka tidak semua energi air panas berpindah menuju air dingin. Demikian juga air dingin tidak menerima semua energi yang disumbangkan oleh air panas. Sebagian energi air panas pasti berpindah ke udara. Jika kita ingin agar semua energi air panas dipindahkan ke air dingin maka kita harus mencampur air panas dan air dingin dalam sistem tertutup. Sistem tertutup yang dimaksudkan di sini adalah suatu sistem yang tidak memungkinkan adanya pertukaran energi dengan lingkungan. Contoh sistem tertutup adalah termos air panas. Dinding bagian dalam dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas. Temannya isolator tuh konduktor. Konduktor = bahan yang menghantarkan panas). Ssttt… dalam kenyataannya memang banyak sistem tertutup buatan yang tidak sangat ideal. Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya juga sangat kecil.

Lanjut ya… Apabila benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan dan benda-benda tersebut berada dalam sistem tertutup, maka ketika mencapai suhu yang sama, energi yang diterima oleh benda yang memiliki suhu yang lebih rendah = energi yang dilepaskan oleh benda yang bersuhu tinggi. Karena energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu = kalor, maka kita bisa mengatakan bahwa dalam sistem tertutup, kalor yang dilepaskan = kalor yang diterima. secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

Q lepas = Q terima

Q yang hilang = Q yang dicuri

Q yang dibuang = Q yang dipungut

Ini adalah kekekalan energi kalor. Prinsip pertukaran energi dengan cara demikian merupakan dasar dari kalorimetri (kalorimetri = teknik alias prosedur pengukuran kuantitatif suatu pertukaran kalor). Alat ukurnya dikenal dengan julukan si kalorimeter. Pernah lihat kalorimeter-kah ? mudah2an di sekolahmu ada kalorimeter air. Kalorimeter biasanya dipakai untuk menentukan kalor jenis suatu benda. Mau praktikum ? Praktikum aja di blog gurumuda Tuh ada gambar kalorimeter…..

 

 

Biar paham, kita oprek beberapa contoh soal

Contoh soal 1 :

Karena kepanasan, diriku ingin menikmati teh hangat. Setelah mencuri sepotong es batu bermassa 0,2 kg dari warung di sebelah kos, es batu tersebut dicampur dengan teh hangat yang sedang menanti sentuhan es batu dalam sebuah gelas. Massa teh hangat = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 ^oC, sedangkan suhu si teh hangat = 40 ^oC. Setelah bersenggolan dan bersentuhan selama beberapa saat, es batu dan air hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera… Pertanyaannya, berapakah suhu es teh ? Kalau bingun, tanya saja ke warung terdekat… pasti diomelin anggap saja es batu dan teh hangat dicampur dalam sistem tertutup.

Panduan jawaban :

Ssttt… pahami jalan cerita-nya ya. Jangan pake hafal. Tidak akan ada soal yang sama.

T = suhu

Massa es batu = 0,2 kg

Massa teh hangat = 0,2 kg

Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg C^o

Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg C^o

Kalor Lebur (L_F) air = 334 x 10³ J/Kg

Suhu es batu (T_{es batu}) = -10 ^oC

Suhu teh hangat (T _{teh hangat}) = 40 ^oC

Suhu campuran = ?

 

Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir

Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,2 kg teh hangat, dari 40 ^oC sampai 0 ^oC

Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)

Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg C^o) (40 ^oC – 0 ^oC)

Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg C^o) (40 ^oC)

Q lepas = 33.440 Joule = 33,44 kJ

 

Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 ^oC sampai 0 ^oC

Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)( T titik lebur air – T awal)

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg C^o) (0 ^oC – (-10 ^oC))

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg C^o) (10 ^oC)

Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ

 

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)

Q lebur = mL_F

Q lebur = (0,2 kg) (334 x 10³ J/Kg)

Q lebur = 66,8 x 10³ Joule = 66,8 kJ

 

Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :

Q lepas = 33,44 kJ

Q terima = 4,2 kJ

Q lebur = 66,8 kJ

 

Ketika teh hangat melepaskan kalor sebanyak 33,44 kJ, suhu teh hangat berubah dari 40 ^oC menjadi 0 ^oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 ^oC sampai 0 ^oC. hitung2an dulu ya… 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Kalor yang tersisa = 29,24 kJ.

Nah, untuk meleburkan semua es batu menjadi air diperlukan kalor sebesar 66,8 kJ. Kalor yang tersisa hanya 29,24 kJ.

Kesimpulannya, kalor yang disumbangkan oleh teh hangat hanya digunakan untuk menaikan suhu es dari -10 ^oC sampai 0 ^oC dan meleburkan sebagian es batu. Sebagian es batu telah berubah menjadi air, sedangkan sebagiannya belum. Ingat ya, selama proses peleburan, suhu tidak berubah. Karenanya suhu akhir campuran es = 0 ^oC.

Catatan :

Dalam kehidupan sehar-hari, semua es batu akan mencair karena udara juga ikut2an menyumbang kalor. Untuk contoh soal di atas, kita menganggap campuran berada dalam sistem tertutup, sehingga suhu akhir akan tetap seperti itu.

 

 

Contoh soal 2 :

Massa teh panas = 0,4 kg, massa es batu = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 ^oC, sedangkan suhu si teh panas = 90 ^oC. Jika keduanya dicampur, berapakah suhu akhir campuran ? anggap saja campuran berada dalam sistem tertutup

 

Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg C^o

Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg C^o

Kalor Lebur (L_F) air = 334 x 10³ J/Kg

 

Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir

Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,4 kg teh panas, dari 90 ^oC sampai 0 ^oC

Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)

Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg C^o) (90 ^oC – 0 ^oC)

Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg C^o) (90 ^oC)

Q lepas = 150.480 Joule = 150,48 kJ

 

Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 ^oC sampai 0 ^oC

Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)(T titik lebur air – T awal)

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg C^o) (0 ^oC – (-10 ^oC))

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg C^o) (10 ^oC)

Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ

 

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)

Q lebur = mL_F

Q lebur = (0,2 kg) (334 x 10³ J/Kg)

Q lebur = 66,8 x 10³ Joule = 66,8 kJ

 

Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :

Q lepas = 150,48 kJ

Q terima = 4,2 kJ

Q lebur = 66,8 kJ

 

Ketika teh panas melepaskan kalor sebanyak 150,48 kJ, suhu teh panas berubah dari 90 ^oC menjadi 0 ^oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 ^oC sampai 0 ^oC. hitung2an lagi…. 150,48 kJ – 4,2 kJ = 146,28 kJ. Kalor yang tersisa = 146,28 kJ

Nah, kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air hanya sebesar 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. Ternyata kelebihan 79,48 kJ. Teh panas tidak perlu melepaskan semua kalor hingga suhunya berkurang menjadi 0 ^oC. Kesimpulannya : suhu akhir campuran pasti lebih besar dari 0 ^oC.

Ok, tancap gas…….

 

Langkah Kedua : Menentukan suhu akhir (T)

 

Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu es batu dari -10 ^oC sampai 0 ^oC = 4200 Joule

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air alias kalor laten = 66.800 Joule

Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu air (air hasil peleburan semua es batu) dari 0 ^oC sampai T

= (massa es batu)(kalor jenis air)(T – 0 ^oC)

= (0,2 kg) (4180 J/Kg C^o) (T)

= (836 T) J/C^o

Kalor yang dilepaskan oleh te hangat untuk menurunkan suhunya dari 90 ^oC sampai T

= (massa air panas)(kalor jenis air)(90 ^oC – T)

= (0,4 kg) (4180 J/Kg C^o) (90 ^oC – T)

= 1672 J/C^o (90 ^oC – T)

= 150.480 J – (1672 T) J/C^o

 

 

Pahami perlahan-lahan… Sering2 latihan soal biar jadi mudah

 

 

Referensi :

Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.

Halliday dan Resnick. 1991. Fisika Jilid I  (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.

Tipler, P.A. 1998. Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penebit Erlangga.

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A. 2002. Fisika Universitas (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga.