bab 9

Hand Out Kuliah Fisika

Oleh: Dr. Mitrayana, M.Si., E-mail: [email protected]

59

KALOR

1. Energi termal, atau energi dalam, U, mengacu pada energi

total semua molekul pada benda. Untuk gas monoatomik ideal

nRTNkTU 23

23 == (1)

2. Kalor mengacu pada transfer energi dari satu benda ke yang

lainnya karena adanya perbedaan temperatur. Kalor dengan

demikian diukur dalam satuan energi, misalnya joule.

3. Kalor dan energi dalam kadangkala juga dinyatakan dalam kalori atau kilokalori, di mana

1 kal = 4,189 J (2)

merupakan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan

temperatur 1 g air sebesar 1oC.

4. Kalor jenis, c, dari zat didefinisikan sebagai energi (atau kalor) yang dibutuhkan untuk merubah temperatur massa satuan zat

sebesar 1 derajat; dalam bentuk persamaan,

TmcQ ∆= (3)

di mana Q adalah kalor yang diserap atau dikeluarkan, T∆

adalah penambahan atau pengurangan temperatur, dan m adalah massa zat.

5. Ketika kalor mengalir di dalam system yang terisolasi, kekekalan energi memberitahu kita bahwa kalor yang diterima oleh satu

bagian system sama dengan kalor yang dikeluarkan oleh bagian



60

system yang lain; ini merupakan dasar kalorimetri, yang

merupakan pengukuran kuantitatif pertukaran kalor.

6. Pertukaran energi terjadi, tanpa perubahan temperatur, ketika sebuah zat berubah fase. Kalor lebur adalah kalor yang

dibutuhkan untuk meleburkan 1 kg zat padat menjadi fase cair;

juga sama dengan kalor yang dikeluarkan ketika zat berubah dari

cair ke padat. Kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan suatu zat

adalah hasil kali massa zat itu dan panas laten peleburan fL :

fmLQ =

Kalor penguapan merupakan energi yang dibutuhkan untuk

mengubah 1 kg zat dari fase cair ke gas; juga merupakan energi

yang dikeluarkan ketika zat berubah dari uap ke cair. Kalor yang

dibutuhkan untuk menguapkan cairan adalah hasil kali massa

cairan dan panas laten penguapan VL :

VmLQ = Pencairan dan penguapan terjadi pada temperatur konstan.

Untuk air, kJ/kg 5,333=fL dan kJ/kg 2257=VL . Kalor

yang dibutuhkan untuk mencairkan 1 g es atau untuk menguapkan

1 g air adalah besar dibandingkan dengan kalor yang dibutuhkan

untuk menaikkan temperatur 1 g air sebanyak satu derajat.

7. Ketiga mekanisme transfer energi termis adalah konduksi, konveksi, dan radiasi.

8. Kalor ditransfer dari satu tempat (atau benda) ke yang lainnya dengan tiga cara. Pada konduksi, energi ditransfer dari molekul

atau electron dengan EK yang lebih ke tetangganya yang

mempunyai EK yang lebih rendah ketika mereka bertumbukan.

Laju konduksi energi termis diberikan oleh



61

x

TkA

T

QI

∆∆=

∆∆=

dengan I adalah arus termis dan k adalah koefisien konduktivitas termis. Persamaan ini dapat ditulis

IRT =∆ dengan R adalah resistansi termis :

kA

xR

∆=

Resistansi termis untuk satuan luasan bahan lempengan

dinamakan factor R yaitu fR :

k

xRAR f

∆==

Resistansi termis ekivalen dari deretan resistansi termis yang

dihubungkan secara seri sama dengan jumlah masing-masing

resistansi :

seri resistansi 21 ⋅⋅⋅++= RRRek Resistansi termis ekivalen untuk resistansi termis yang

dihubungkan secara paralel diberikan oleh :

paralel resistansi ...111

21

++=RRRek

9. Konveksi adalah transfer energi dengan cara perpindahan massa

menempuh jarak yang cukup jauh.

10. Radiasi, yang tidak membutuhkan adanya materi, adalah transfer energi oleh gelombang elektromagnetik, seperti dari

Matahari. Semua benda memancarkan energi dengan jumlah yang

sebanding dengan pangkat empat temperatur Kelvinnya (T4) dan dengan luas permukaannya. Energi yang dipancarkan (atau

diserap) juga bergantung pada sifat permukaan (permukaan



62

gelap menyerap dan memancarkan lebih dari yang mengkilat),

yang dikarakterisasikan oleh emisivitas, e. Laju radiasi termis satu benda diberikan oleh

4ATeP σ=

dengan 428 .K W/m106703,5 −×=σ adalah konstanta Stefan,

dan e adalah emisivitas, yang bervariasi antara 0 dan 1 tergantung pada komposisi permukaan benda. Bahan-bahan yang

merupakan absorber panas yang baik adalah radiator panas yang

baik. Sebuah benda hitam mempunyai emisivitas 1. Benda ini

merupakan radiator yang sempurna, dan menyerap semua radiasi

yang datang padanya. Daya termis neto yang diradiasi oleh

sebuah benda pada temperatur T dalam suatu lingkungan pada

temperatur 0T diberikan oleh

( )40

4 TTAePneto −= σ Spektrum energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda

hitam mempunyai maksimum pada panjang gelombang maksλ , yang

berubah secara terbalik dengan temperatur absolut benda :

Tmaks

mm.K 898,2=λ

Ini dikenal sebagai hukum pergeseran Wien.

11. Untuk semua mekanisme transfer panas, jika beda temperatur antara benda dan sekitarnya adalah kecil, maka laju pendinginan

sebuah benda hampir sebanding dengan beda temperatur. Hasil

ini dikenal sebagai hukum pendinginan Newton.

Contoh soal: 1. Membuang kalori ekstra. Dua orang pasangan muda tidak

berhati-hati pada suatu siang, dan memakan terlalu banyak es

krim dan kue. Mereka menyadari telah kelebihan makan sekitar



63

500 Kalori, dan untuk mengimbanginya, mereka ingin melakukan

kerja yang sesuai dengan menaiki tangga. Berapa ketinggian total

yang harus ditempuh setiap orang? Masing-masing bermassa 60

kg.

2. Energi kinetik diubah mejadi kalor. Ketika peluru 3 g, yang

melaju secepat 400 m/s, menembus sebuah pohon, lajunya

diperkecil sampai 200 m/s. Berapa banyaknya kalor Q yang dihasilkan dan dipakai bersama oleh peluru dan pohon?

3. Bagaimana kalor bergantung pada kalor jenis. (a) Berapa kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur tong kosong 20 kg

yang terbuat dari besi dari 10oC sampai 90oC? (b) Bagaimana jika tong tersebut diisi 20 kg air?

4. Wajan yang sangat panas. Anda secara tidak sengaja

membiarkan wajan yang kosong menjadi sangat panas di kompor

(200oC atau lebih). Apa yang terjadi ketika Anda

memasukkannya ke dalam air dingin sedalam dua inci di dasar

tempat cuci piring? Apakah temperatur akhir akan berada di

tengah-tengah antara temperatur awal air dan wajan? Apakah

air akan mulai mendidih?

5. Cangkir mendinginkan teh. Jika teh 200 cm3 pada 95oC

dituangkan ke dalam cangkir 150 g pada 25oC, berapa

temperatur akhir T dari campuran ketika dicapai kesetimbangan, dengan menganggap tidak ada kalor yang mengalir ke sekitarnya?

6. Kalor jenis yang tidak diketahui ditentukan dengan

kalorimetri. Kita ingin menentukan kalor jenis logam campuran

yang baru. Sampel 0,150 kg dari logam baru tersebut dipanaskan

sampai 540oC. Logam tersebut kemudian dengan cepat



64

ditempatkan pada 400 g air pada 10oC, yang ditempatkan pada

bejana kalorimeter aluminium 200 g. (Kita tidak perlu

mengetahui massa selubung isolator karena kita anggap ruang

udara di antaranya dan bejana mengisolasinya dengan baik,

sehingga temperaturnya tidak berubah secara signifikan.)

Temperatur akhir campuran tersebut adalah 30,5oC. Hitung

kalor jenis logam campuran itu.

7. Mengukur kadar kalori sepotong brownies. Tentukan kadar Kalori dari Mullaney’s fudge brownies 100 g dari pengukuran berikut ini. Sampel brownies 10 g dibiarkan kering sebelum dimasukkan dalam bom. Bom aluminium mempunyai massa 0,615

kg dan ditempatkan di 2 kg air yang berada dalam bejana

kalorimeter aluminium dengan massa 0,524 kg. Temperatur awal

campuran tersebut adalah 15oC dan temperaturnya setelah

pemicuan adalah 36oC.

8. Pembuatan es. Berapa banyak energi yang harus dikeluarkan

lemari es dari 1,5 kg air pada 20oC untuk membuat es pada – 12 oC.

9. Apakah seluruh es meleleh? Pada sebuah pesta, potongan es 0,5

kg pada 10oC dimasukkan dalam 3 kg “es” the pada 20oC. Berapa

temperatur dan fase campuran terakhir? Teh dapat dianggap

air.

10. Penentuan kalor laten. Kalor jenis air raksa adalah 0,033 kkal/kg.Co. Ketika 1 kg air raksa padat pada titik leburnya

sebesar – 39oC diletakkan pada kalorimeter aluminium 0,5 kg

yang diisi dengan 1,2 kg air pada 20oC, temperatur akhir

campuran didapatkan sebesar 16,5oC. Berapa kalor lebur dari air

raksa dalam kkal/kg?



65

11. Aliran kalor melalui jendela. Sumber kehilangan kalor yang utama dari sebuah rumah adalah melalui jendela. Hitung

kecepatan aliran kalor melalui jendela kaca dengan luas 2 m × 1,5 m dan tebal 3,2 mm, jika temperatur pada permukaan dalam dan

luar adalah 15oC dan 14oC, berturut-turut.

12. Merebus pasta? Ketika memasak pasta, mengapa Anda

mengecilkan api begitu pasta dimasukkan dan air mendidih?

Bukankah akan masak lebih cepat jika api tetap besar?

13. Pendinginan dengan radiasi. Seorang atlit duduk tanpa pakaian di kamar ganti yang dindingnya gelap pada temperatur 15oC.

Perkirakan kecepatan kehilangan kalor dengan radiasi dengan

menganggap temperatur kulit sebesar 34oC dan e = 0,70. Anggap permukaan tubuh yang tidak bersentuhan dengan kursi sebesar

1,5 m2.

14. Dua teko teh. Sebuah teko teh keramik (e = 0,7) dan yang mengkilat (e = 0,1) masing-masing berisi 0,75 L teh pada 95oC. (a) Perkirakan kecepatan kehilangan kalor dari masing-

masingnya, dan (b) perkirakan penurunan temperatur setelah 30 menit untuk masing-masing. Hanya perhitungkan radiasi dan

anggap lingkungan berada pada 20oC.

15. Berjemur di sinar matahari – penyerapan energi. Berapa kecepatan penyerapan energi dari Matahari oleh seseorang yang

berbaring terlentang di pantai pada hari yang cerah jika

Matahari membuat sudut 30o dengan vertical? Anggap e = 0,70, luas tubuh yang terbuka ke Matahari adalah 0,80 m2, dan 1000

W/m2 mencapai permukaan Bumi.



66

Latihan soal : 1. Sebuah pemanas yang dimasukkan ke dalam air menyerap listrik

sebedar 350 W. Perkirakan waktu yang diperlukan untuk

memanaskan semangkuk sop (anggap merupakan 250 mL air) dari

20oC sampai 50oC.

2. Sebuah sepatu kuda besi yang panas (massa = 0,4 kg) yang baru saja ditempa, dimasukkan ke dalam air 1,6 L dalam panic besi 0,3

kg yang pada awalnya mempunyai temperatur 20oC. Jika

temperatur setimbang terakhir adalah 25oC, perkirakan

temperatur awal sepatu kuda yang panas tersebut.

3. Sepotong es batu diambil dari lemari es pada –8,5oC dan diletakkan pada kalorimeter aluminium 100 g yang diisi dengan

300 g air pada temperatur ruangan sebesar 20oC. Situasi akhir

terlihat seluruhnya berupa air pada 17oC. Berapa massa es batu?

4. Dua ruangan, masing-masing berupa kubus dengan rusuk 4 m, memakai bersama dinding bata yang tebalnya 12 cm. Karena

banyaknya bola lampu 100 W pada salah satu ruangan,

temperatur udara adalah 30oC sementara di ruangan yang lain

pada 10oC. Berapa banyak bola lampu 100 W yang dibutuhkan

untuk mempertahankan perbedaan temperatur di kedua sisi

dinding?

5. Seorang pelari maraton mempunyai kecepatan metabolisme rata-rata untuk balapan tersebut sekitar 1000 kkal/jam. Jika pelari

itu bermassa 65 kg, berapa banyak air yang hilang dari si pelari

melalui penguapan dari kulit untuk balapan yang memakan waktu

2,5 jam?



67

6. Sebuah daun dengan luas 40 cm2 dan massa 4,5 × 10-4 kg menghadap langsung ke Matahari pada hari yang cerah. Daun

tersebut mempunyai emisivitas 0,85 dan kalor jenis 0,8

kkal/kg.K. (a) Perkirakan kecepatan naiknya temperatur daun. (b) Hitung temperatur yang akan dicapai daun jika kehilangan semua

kalornya dengan radiasi (temperatur sekililingnya adalah 20oC).

(c) Dengan cara-cara lain bagaimana kalor dikeluarkan oleh daun?



68

bab 9

Documents