l1 panas yang ditimbulkan arus listrik

HUKUM JOULE

PANAS YANG DITIMBULKAN OLEH ARUS LISTRIK (L1)ARDY RIASTOMO

1113100099

JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA

ABSTRAK

Telah dilakukan percobaan berjudul Hukum Joule Panas yang Ditimbulkan Oleh

Arus Listrik yang bertujuan untuk menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus

listrik, membuktikan hukum Joule dan menentukan harga 1 Joule. Peralatan yang

digunakan dalam percobaan adalahkalorimeter dengan perlengkapannya satu set,

thermometer satu buah, adaptor satu buah, stopwatch satu buah, tahanan geser

(Rg) satu buah, ampermeter (A) dan voltmeter (V) masing-masing satu buah.

Pada percobaan digunakan variasi bentuk rangkaian, besar kuat arus, serta nilai

kenaikan suhu air di dalam kalorimeter. Berdasarkan percobaan yang telah

dilakukan diketahui bahwa panas yang ditimbulkan oleh arus listrik pada sistem untuk

rangkaian 1 adalah 436,695 joule dan untuk rangkaian 2 adalah 390,555 joule,sedangkan

harga 1 joule adalah 1,85919 kalori.

-Kata kunci: Arus listrik, hukum joule, kalorimeter

ii

DAFTAR PUSTAKA

HUKUM JOULE.....................................................................................................ii

DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................iii

BAB I.......................................................................................................................1

1.1. Latar Belakang..........................................................................................1

1.2. Rumusan Masalah.....................................................................................1

1.3. Tujuan........................................................................................................1

BAB II......................................................................................................................2

2.1. Arus Listrik................................................................................................2

2.2. Kalor..........................................................................................................3

2.3. Perpindahan Panas.....................................................................................4

2.4. Hambatan Jenis..........................................................................................6

BAB III....................................................................................................................7

4.1. Alat dan Bahan..........................................................................................7

4.2. Langkah Kerja...........................................................................................7

BAB IV....................................................................................................................9

4.1. Analisa Data..............................................................................................9

4.2. Perhitungan..............................................................................................10

4.3. Grafik.......................................................................................................14

BAB V....................................................................................................................16

DAFTAR PUSTAKA............................................................................................17

iii

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Hukum mengenai kekekalan energi mengatakan bahwa pada dasarnya

energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan . Energi hanya dapat

dirubah bentuknya dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi yang lain.

Konsep mengenai kalor muncul dengan didasarkan pada pemikiran bahwa semua

bentuk energi adalah ekuivalen tidak hanya tenaga kalor dan tenaga mekanis saja,

serta pemikiran bahwa sejumlah tenaga yang diberikan dari sesuatu tidak dapat

lenyap tanpa munculnya tenaga berjumlah sama dalam bentuk yang lain. Jadi

yang akan diamati disini adalah mengenai konsep kalor yaitu perubahan energi

dari energi listrik menjadi energi kalor.

1.2. Rumusan Masalah

Permasalahan yang ada dalam percobaan ini adalah untuk Mengamati

perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk yang lain dan mengetahui

bagaimana cara menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik serta

membuktikan hukum Joule

1.3. Tujuan

1. Menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik.

2. Membuktikan Hukum Joule dan menentukan harga 1 Joule.

iv

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Arus Listrik

Kalau ada aliran netto muatan melewati suatu daerah, dapat dikatakan

bahwa ada arus yang melalui daerah tersebut. Jika sebuah konduktor terisolasi

ditempatkan dalam medan elektrostatik, muatan dalam konduktor itu akan

menyusun diri kembali sehingga menjadikan interior (bagian dalam) konduktor

itu suat u daerah bebas medan, dan dalam daerah ini potensial konstan. Gerak

muatan dalam proses penyusunan diri kembali itu merupakan sebuah arus, dan

arus itu tidak ada lagi kalau medan pada konduktor menjadi nol.

(Zemansky.1986.651)

Jika terminal-terminal baterai dihubungkan dengan jalur penghantar yang

kontinu, akan didapatkan rangkaian listrik. Alat yang diberi daya oleh baterai,

yang mana bisa berupa bola lampu, pemanas, radio, atau apapun. Ketika

rangkaian seperti ini terbentuk, muatan dapat mengalir melalui kawat rangkaian

dari satu terminal baterai ke yang lainnya. Aliran muatan seperti ini disebut arus

listrik. Arus listrik pada kawat didefinisikan sebagai jumlah total muatan yang

melewatinya per satuan waktu pada suatu titik. Dengan demikian, arus rata-rata I

didefinisikan sebagai

I= ΔQΔt ................................................................................................ (2.1)

di mana ∆Q adalah jumlah muatan yang melewati konduktor pada suatu lokasi

selama jangka waktu ∆t. Arus listrik diukur dalam coloumb per detik, satuan ini

diberi nama khusus, ampere (disingkat amp atau A), dari nama fisikawan

Perancis Andre Ampere (1775-1836). Berarti 1 A = 1 C/det. Satuan - satuan

terkecil yang sering kali digunakan adalah seperti miliampere (1 mA = 10-3 A)

dan mikroampere (10-6 A). Pada rangkaian tunggal, arus pada setiap saat sama

v

pada satu titik. Hal ini sesuai dengan kekekalan muatan listrik (muatan tidak

hilang).

(Giancoli.2001.65)

2.2. Kalor

Kalor adalah bentuk energi yang dapat berpindah dari zat yang suhunya

lebih tinggi ke zat yang suhunya lebih rendah jika kedua benda bersentuhan.

Dengan kata lain, kalor adalah bentuk energi yang menaikkan suhu jika bentuk

energi itu diberikan kepada benda tersebut. Akan tetapi, perlu diketahui bahwa

kalor yang diberikan kepada benda tersebut tidak selalu menaikkan suhu. Sebagai

contoh, jika kalor yang diberikan digunakan untuk mengubah wujud, maka suhu

benda itu tidak naik (tetapi tidak berubah). Oleh karena kalor adalah salah satu

bentuk energi seperti halnya energi kinetik, energi potensial, dan lain sebagainya,

maka satuan kalor sama dengan satuan energi yaitu joule (J) atau kilojoule (kJ).

Pada mulanya kalor dianggap sejenis zat alir (disebut kalorik) yang terkandung di

dalam setiap benda dan tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Teori kalorik ini

pertama kali dikemukakan oleh Antonie Laurent Lavoiser seorang ahli kimia

berkebangsaan Perancis. Berdasarkan teori inilah maka satuan kalor yang dikenal

sebelumnya diberi nama kalori (kal) atau kilokalori (kkal). Satuan ini masih

sering digunakan untuk menyatakan kandungan energi yang dimiliki oleh

makanan. 1 kalori (kal) sama dengan 4,2 Joule atau satu Joule sama dengan 0,24

kalori (kal). Teori kalorik menyatakan bahwa benda yang suhunya tinggi

mengandung lebih banyak kalorik daripada benda yang suhunya rendah. Ketika

kedua benda disentuhkan maka benda yang kaya kalorik kehilangan sebagian

kaloriknya yang diberikan kepada benda yang sedikit kalorik sampai akhirnya

terjadi kesetimbangan termal (kedua benda suhunya sama). Teori ini dapat

menjelaskan pemuaian benda ketika dipanaskan dan proses hantaran kalor di

dalam sebuah kalorimeter. Akan tetapi, teori ini tidak dapat menjelaskan

mengapa kedua telapak tangan kita akan terasa hangat ketika kita menggesek-

geseknya. Ketika benda panas menyentuh benda dingin, partikel - partikel dalam

benda panas menabrak partikel - partikel dalam benda dingin. Energi termal

vi

partikel - partikel dalam benda dingin betambah sehingga suhunya naik dan

begitu pula dengan partikel dalam benda dingin yang menjadi lebih energetik.

(Dwa Desa Warnana.2007.330 - 331)

Satu kalori (kal) didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk

menaikkan temperatur 1 gram air sebesar satu derajat celcius. Sedangkan 1 kkal

adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar satu

derajat celcius. Kadangkala satu kilokalori disebut Kalori (dengan huruf k besar).

Pada sistem satuan British, kalor diukur dalam satuan termal British (British

thermal unit/Btu). Satu Btu didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk

menaikkan temperatur air sebesar satu derajat Fahrenheit. Sehingga 1 Btu sama

dengan 0,252 kkal sama dengan 1055 Joule.

(Giancoli.2001.489)

2.3. Perpindahan Panas

Energi termal dapat dipindahkan ke atau dari suatu sistem melalui

mekanisme konduksi, konveksi, dan radiasi. Panas adalah energi yang

dipindahkan dari suatu sistem dengan temperatur yang lebih tinggi ke suatu

sistem dengan temperatur yang lebih rendah (di mana keduanya mengalami

kontak) melalui tumbukan partikel - partikel penyusunnya. Konduksi terjadi

ketika energi panas berpindah melalui suatu material sebagai akibat tumbukan

antar elektron, ion, atom, dan molekul bebas material tersebut. Semakin panas

suatu zat, semakin tinggi energi kinetik (EK) rata - rata atomnya. Jika terdapat

perbedaan temperatur antara material - material yang mengalami kontak, ketika

tumbukan atom terjadi antara keduanya, atom - atom dengan energi yang lebih

tinggi di dalam zat yang lebih hangat memindahkan energi ke atom – atom

dengan energi yang lebih rendah di dalam zat yang lebih dingin. Jadi, panas

mengalir dari panas ke dingin. Misalnya pada suatu lempeng dengan ketebalan L

dan luas penampang melintang adalah A. Temperatur kedua permukaannya

adalah T1 - T2. Besar ∆T/L disebut gradien temperatur. Ini merupakan

kecepatan perubahan temperatur terhadap jarak.

vii

Besar panas ∆Q yang dipancarkan dari permukaan 1 ke permukaan 2

dalam waktu ∆t ditentukan oleh :

ΔQΔt

=kT A ΔTL ............................................................................... (2.2)

Di mana kT tergantung dari material lempengan dan disebut konduktivitas

termal material. Dalam SI, kT memiiliki satuan W/m. K dan ∆Q/∆t adalah J/det

(Watt).

Tahanan termal (atau nilai R) suatu lempengan didefinisikan sebagai

persamaan aliran panas dalam bentuk :

ΔQΔt

= A ΔTR dimana R= L

k T ................................................................ (2.3)

Untuk beberapa lempengan dengan luas permukaan yang sama dalam

rangakaian, nilai R gabungan adalah

R=R1+R2+…+RN .............................................................................. (2.4)

Di mana R1 ,....., adalah nilai R dari masing - masing lempengan.

Konveksi energi termal terjadi dalam suatu cairan ketika material yang

hangat mengalir sehingga menggantikan material yang lebih dingin. Contoh

umum adalah aliran udara hangat dari suatu lubang udara suatu alat pemanas dan

aliran air hangat dalam arus. Radiasi adalah cara perpindahan energi

elektromagnetik yang bersinar melalui vakum dan ruang kosong antar atom.

Energi yang bersinar berbeda dengan panas, meskipun keduanya berkaitan dengan

energi yang berpindah.

(Frederick.2006.139 - 140)

viii

2.4. Hambatan Jenis

Kita mungkin menyangka bahwa hambatan kawat yang tebal akan lebih

kecil dari yang tipis karena kawat yang lebih tebal meniliki area yang lebih luas

untuk lewatnya elektron. Dan mungkin akan berpikir bahwa hambatan akan lebih

besar jika panjangnya lebih besar karena akan ada lebih banyak penghalang

untuk aliran elektron. Dan memang ternyata ditemukan pada eksperimen bahwa

hambatan R kawat logam berbanding lurus dengan panjang L dan berbanding

terbalik dengan luas penampang lintang A, yaitu :

R=ρ LA .............................................................................................. (2.5)

di mana ρ, konstanta pembanding, disebut hambatan jenis (resistivitas) dan

bergantung pada bahan yang digunakan. Nilai ρ satuannya adalah Ω.m.

(Giancoli.2001.70)

ix

- +A

- +VE -

+_+- Thermometer

K

Gambar 3.1 Rangkaian (a)

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

4.1. Alat dan Bahan

Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah satu set kalorimeter

dengan perlengkapannya, satu buah thermometer, satu buah adaptor, satu buah

stopwatch, satu buah tahanan geser (Rg), satu buah ampermeter (A) dan

Voltmeter (V) masing-masing satu buah.

4.2. Langkah Kerja

Cara melakukan percobaan ini pertama disusun peralatan seperti gambar

3.1 kemudian dihubungkan dengan tegangan PLN. Kalorimeter diisi air

sebanyak 100 gram, kemudian diberi tegangan sebesar 14,5 volt dan arus 1,5

Ampere diusahakan konstan dengan mengatur tegangan geser Rg. Dari suhu

15°C hingga 25°C, waktu dicatat setiap kenaikan 1°C. Percobaan pada rangkaian

(a) ini diulang dua kali dengan menggunakan cara yang sama.

x

_ +V

Thermometer

+_AV

Gambar 3.2 Rangkaian (b)

E -+

K

Lalu susun peralatan seperti gambar 3.2, dengan menggunakan rangkaian

(b) dan dilakukan dengan cara yang sama serta pengulangan yang sama.

xi

BAB IV

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1. Analisa Data

Tabel 4.1 Waktu setiap pertambahan suhu untuk kuat arus 0,4 A dengan Rangkaian 1

No Massa air + gelas (g)

V (Volt) T (oC) t (menit)

1 200 8 13-14 1,452 200 8 14-15 2,203 200 8 15-16 2,594 200 8 16-17 2,19




1 200 10 17-18 1,412 200 10 18-19 1,323 200 10 19-20 1,334 200 10 20-21 2,19




1 200 8 13-14 1,002 200 8 14-15 1,363 200 8 15-16 2,464 200 8 16-17 2,00

xii




1 200 10 17-18 1,182 200 10 18-19 1,263 200 10 19-20 1,494 200 10 20-21 2,12

4.2. Perhitungan

Dari data yang diperoleh pada percobaan, selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mengetahui nilai kalor pada sistem.Contoh:1. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 1,45 menit = 87 detik massa air + gelas = 200 g

massa gelas = 50,4 g Tm = 13 oC Ta = 17 oC

Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm)= 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oCH = V.i.t = 8 . 0,4. 87 = 404,64 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/404,64 = 1,86335 goC

2. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 2,19 menit = 131,4

detik

massa air + gelas = 200 g massa gelas = 50,4 g Tm = 13 oC Ta = 17 oC

xiii

Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oCH = V.i.t = 8 . 0,4. 131,4 = 420,48 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/420,48 = 1,65045 g oC

3. Diketahui: V = 10 Volt I = 0,5 A t = 1,41 menit = 84,6 detik massa air + gelas = 200 g

massa gelas = 50,4 g Tm = 17oC Ta = 21 oC

Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 84,6 = 423 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/423= 1,78247 g oC


detik

massa air + gelas = 200 g

massa gelas = 50,4 g Tm = 17oC Ta = 21 oC

Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 g

xiv

Q1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 131,4 = 657 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/657= 1,14762 g oC

5. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 1menit = 60 detik massa air + gelas = 200

g


Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oCH = V.i.t = 8. 0,4 . 60 = 192 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/192= 3,92700 g oC

6. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 2 menit = 120detik massa air + gelas = 200

g


Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oC

xv

H = V.i.t = 8. 0,4 .120 = 384 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/384= 1,96350 g oC

7. Diketahui: V = 10 Volt I = 0,5 A t = 1,18 menit =

70,8detik



Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 70,8 = 354 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/354 = 2,12990 g oC


detik



Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oC

xvi

Q2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 127,2 = 636 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/636 = 1,18551 g oC

Hasil perhitungan selengkapnya dapat dilihat pada tabel berikut:Tabel 4.5 Hasil perhitungan pada rangkaian 1 dengan kuat arus 0,4 A

No T (oC) t (menit

)

H (Joule)

Q1+Q2 (goC) Joule (goC)

1 13-14 1,45 278,40

753,984

2,708282 14-15 2,20 422,40 1,785003 15-16 2,59 497,28 1,516224 16-17 2,19 420,48 1,79315

H rata-rata 404,64 Joule rata-rata

1,86335

Tabel 4.6 Hasil perhitungan pada rangkaian 1 dengan kuat arus 0,5 ANo T (oC) t

(menit)

H (Joule)


1 17-18 1,41 423

753,984

1,782472 18-19 1,32 396 1,904003 19-20 1,33 399 1,889684 20-21 2,19 657 1,14762


1,60850

Tabel 4.7 Hasil perhitungan pada rangkaian 2 dengan kuat arus 0,4 ANo T (oC) t H Q1+Q2 (goC) Joule (goC)

xvii

(menit)

(Joule)

1 13-14 1,00 192

753,984

3,927002 14-15 1,36 261,12 2,887503 15-16 2,46 472,32 1,596344 16-17 2,00 384 1,96350


2,30323

Tabel 4.8 Hasil perhitungan pada rangkaian 2 dengan kuat arus 0,5 ANo T (oC) t

(menit)

H (Joule)


1 17-18 1,18 354

753,984

2,129902 18-19 1,26 378 1,994673 19-20 1,49 447 1,686774 20-21 2,12 636 1,18551


1,66167

4.3. Grafik

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

5

10

15

20

f(x) = 1.30381791899323 x + 12.8017629885774

t (menit)

T (o

C)

Grafik 4.1 Nilai T sebagai fungsi t rangkaian 1 untuk kuat arus 0,4 A

xviii

0 1.41 1.32 1.33 2.1905

10152025

f(x) = x + 16

t (menit)T

(oC)


0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

5

10

15

20

f(x) = 1.51720611773075 x + 12.9305308554153

t (menit)

T (o

C)


0 0.5 1 1.5 2 2.505

10152025

f(x) = 1.91659646166807 x + 16.6809182813816

t (menit)

T (o

C)


xix

BAB V

KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut:

1. Panas yang ditimbulkan oleh arus listrik pada sistem untuk rangkaian 1 adalah 436,695 joule dan untuk rangkaian 2 adalah 390,555 joule.

2. Harga 1 joule adalah 1,85919 kalori.

xx

DAFTAR PUSTAKA

Douglas, Giancoli.2001.”Fisika 2”.Erlangga:Jakarta

Dwa Desa Warnana.2007.”Fisika 2”.Binacipta:Bandung

Frederick.2006.”University of Physics”.Wesley Publishing:Washington

Sears and Zemansky.1986.”Fisika Universitas II”.Erlangga:Jakarta

xxi

l1 panas yang ditimbulkan arus listrik

Data & Analytics