PERPINDAHAN KALOR DAN MASSA

A. Pengertian Kalor

Kalor adalah suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan

benda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya. Kalor berbeda dengan suhu, karena suhu

adalah ukuran dalam satuan derajat panas. Kalor merupakan suatu kuantitas atau jumlah

panas baik yang diserap maupun dilepaskan oleh suatu benda.

Dari sisi sejarah kalor merupakan asal kata caloric ditemukan oleh ahli kimia perancis yang

bernama Antonnie laurent lavoiser (1743 - 1794). Kalor memiliki satuan Kalori (kal) dan

Kilokalori (Kkal). 1 Kal sama dengan jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1

gram air naik 1 derajat celcius.

B. Teori Kalor Dasar :

1. Kalor yang diterima sama dengan kalor yang dilepas : Azas Black , Penemu

adalah Joseph Black (1720 - 1799) dari Inggris.

2. Kalor dapat terjadi akibat adanya suatu gesekan . Penemunya adalah Benyamin

Thompson (1753 - 1814) dari Amerika Serikat

3. Kalor adalah salah satu bentuk energi , Ditemukan oleh Robert Mayer (1814 -

1878)

4. Kesetaraan antara satuan kalor dan satuan energi disebut kalor mekanik digagas

oleh James Prescott (1818 - 1889)

C. Aplikasi Kalor Dalam kehidupan Sehari-hari

1. Termos

Termos berfungsi untuk menyimpan zat cair yang berada di dalamnya agar tetap

panas dalam jangka waktu tertentu. Termos dibuat untuk mencegah perpindahan kalor secara

konduksi, konveksi, maupun radiasi. Dinding termos dibuat sedemikian rupa, untuk

menghambat perpindahan kalor pada termos, yaitu dengan cara:

permukaan tabung kaca bagian dalam dibuat mengkilap dengan lapisan perak yang berfungsi

mencegah perpindahan kalor secara radiasi dan memantulkan radiasi kembali ke dalam

termos, dinding kaca sebagai konduktor yang jelek, tidak dapat memindahkan kalor secara

konduksi, dan ruang hampa di antara dua dinding kaca, untuk mencegah kalor secara

konduksi dan agar konveksi dengan udara luar tidak terjadi.

2. Setrika

Setrika terbuat dari logam yang bersifat konduktor yang dapat memindahkan kalor

secara konduksi ke pakaian yang sedang diseterika. Adapun, pegangan seterika terbuat dari

bahan yang bersifat isolator.

3. Panci Masak

Panci masak terbuat dari bahan konduktor yang bagian luarnya mengkilap. Hal ini

untuk mengurangi pancaran kalor. Adapun pegangan panci terbuat dari bahan yang bersifat

isolator untuk menahan panas.

2. HUKUM-HUKUM DASAR TERMODINAMIKA

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

A. Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem

ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya

B. Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi

dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor

yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.

C. Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa

total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring

dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.

D. Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini

menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses

akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan

bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol

Contoh soal

Suatu kalor 1.200 J mengalir secara spontan dari reservoir panas bersuhu 600 K ke

reservoir dingin bersuhu 300 K. Tentukanlah jumlah entropi dari sistem tersebut. Anggap

tidak ada perubahan lain yang terjadi.

Jawab:

Diketahui Q = 1.200 J, T1 = 600 K, dan T2 = 300 K.

Perubahan entropi reservoir panas:

ΔS1 = Q1/T1 = -1.200J/600K = -2J/K

Perubahan entropi reservoir dingin:

ΔS2 = Q2/T2 = 1.200J/300K = 4J/K

Total perubahan entropi total adalah jumlah aljabar perubahan entropi setiap

reservoir:

ΔSsistem = ΔS1 + ΔS2 = –2 J/K + 4 J/K = +2 J/K

b. Mesin Pendingin

Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu tinggi

dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya pendingin rungan (AC) dan almari es

(kulkas). Perhatikan Gambar 9.9! Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan

pada suhu tinggi T1. Berdasarkan hukum II termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu

tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap (Q1 = Q2 + W)

Hasil bagi antara kalor yang masuk (Q1) dengan usaha yang diperlukan (W)

dinamakan koefisien daya guna (performansi) yang diberi simbol Kp. Secara umum, kulkas

dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai 6. Makin

tinggi nilai Kp, makin baik kerja mesin tersebut.

Kp = Q2 /W

Untuk gas ideal berlaku:

Kp = (Q2/Q1-Q2) = (T2/T1-T2)

Keterangan

Kp : koefisien daya guna

Q1 : kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J)

Q2 : kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J)

W : usaha yang diperlukan (J)

T1 : suhu reservoir suhu tinggi (K)

T2 : suhu reservoir suhu rendah (K)

Contoh Soal

Mesin pendingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3OC dan suhu

udara luar 27OC, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendingin selama 10 menit?

(efisiensi mesin ideal).

Penyelesaian:

Diketahui: P = 600 watt (usaha 500 J tiap 1 sekon)

T1 = 270C = 27+ 273 = 300 K

T2 = -30C = -3 + 273 = 270 K

Ditanya: Q2 = … ? (t = 10 sekon)

Jawab:

Kp = T2/(T1-T2) Q2/W = T2/(T1-T2)

Q2 = T2/(T1-T2)W = (270)(300-270)(500) = 4.500J (tiap satu sekon)

Dalam waktu 10 menit = 600s Q2=4.500 x 600 = 2,7×106 J

PERPINDAHAN

PANAS

HEAT TRANSFER

KONDUKSI

Ketika temperatur melewatipermukaan, ada sebuah energy yangberpindah dari temperatur tinggiketempat temperatur yang lebih rendah.Itu yang disebut sebagai perpindahanpanas dengan cara konduksi, danperpindahan panas dihitung per unit areadengan temperatur normal.

qx=-kA𝜕𝑇

𝜕𝑥

RUMUS

KONDUKSI

Qx = Jumlah perpindahan panas

K = konstanta

A = Luas𝜕𝑇

𝜕𝑥= Perubahan suhu terhadap sumbu x

Persamaan Fourier

Konduktivitas Termal

Kita tahu bahwa permukaan panas

pada benda akan lebih cepat dingin jikadidepannya terdapat kipas dibandingkandengan udara tanpa kipas, ini yang disebutkonveksi.

PERPINDAHAN PANAS KONVEKSI

q=hA (Tw −T∞)

Rumus

Konveksi

h =Koefesien konveksiA = Area

RADIASI

Berbeda dengan konduksi dankonveksi, pada perpindahan radiasitidak memerlukan medium bahkandiruangan hampa udara.

Perpindahan ini melaluielektromagnetik.

RUMUS

Q emitted =σAT^4σ = Konstanta Stefan-Boltzmann dengan nilai 5.669×10−8 W/m2. K^4

Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas yang memerlukan media sebagai

penghantar listrik. media penghantar ini memiliki rambat panas yang berbeda-

beda ini yang disebut konduktivitas panas.

Perpindahan panas melalui konduksi menggunakan rumus atau hukum Fourier.

Dimana :

qx = Kalor yang berpindah pada sumbu x (W)

k = Konstanta/ koefesien konduktifitas thermal (W/m . K)

A = Luas penampang

L = Jarak

T = Temperatur

Menghitung Heat Flux :

Yaitu panas yang keluar per meter persegi

Heat Flux terhadap sumbu :

Untuk menghitung Konstanta atau konduktifitas termal dapat diperoleh

dari rumus heat flux pada sumbu x sehingga didapat :

One dimensional steady state conduction

Untuk konduksi one dimensional artinya perpindahan panas

hanya pada sumbu x.

Thermal Resistance

Contoh :

1. Hitunglah T2 ?

Contoh 2

Contoh 3

Contoh 4