KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR

Selamat datang diblog saya,

Pada kesempatan kali ini, saya akan berbagi pengalaman belajar – mengajar untuk materi IPA – Fisika kelas VII SMP. Semoga pengalaman berbagi ini memberikan manfaat buat kita semua, terima kasih.

 

A. KALOR DAN PENGARUHNYA

 

Kalor adalah salah suatu bentuk energi yang secara alamiah dapat berpindah dari benda yang suhunya tinggi menuju suhu yang lebih rendah saat bersinggungan.

 

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.

 

1.Kalor Mengubah Suhu Benda

 

Besarnya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk mengubah suhu berbanding lurus dengan massa benda (m), kenaikan suhu dan kalor jenis.

Selain joule (J), terdapat satuan kalor yang sering dipergunakan dalam kehidupan sehari-sehari, yaitu kalori. Satu kalori dapat didefinisikan kalor yang diperlukan tiap 1 gram air , sehingga suhunya naik 10C. Terdapat kesetaraan antara satuan joule dan satuan kalori yang biasa disebut tara kalor mekanik.

1 kalori = 4,2 joule

1 joule = 0,24 kalori

 

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan tiap satu satuan massa zat untuk menaikkan suhu 1 kilogram zat sebesar 1°C.

 

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu sebesar 1°C.

 

2.Kalor Mengubah Wujud Benda

 

Besarnya energi kalor (Q) yang dibutuhkan untuk mengubah wujud suatu zat berbanding lurus dengan massa benda (m) dan kalor laten (L)

 

Q= m x L

 

Keterangan :

Q = kalor (J)

L = kalor laten (J/kg)

m = massa benda (kg)

 

Kalor Laten adalah kalor yang dibutuhkan tiap satu satuan massa zat untuk mengubah wujudnya tanpa mengalami perubahan suhu. Terdapat dua kalor laten yaitu:

a)  Kalor Lebur (L) :

Banyaknya kalor ynag dibutuhkan tiap satu satuan massa zat untuk melebur pada titik leburnya. Besar energi kalor yang dibutuhkan:

 

Q= m x L

 

dengan :

L= kalor lebur (J/kg)

b) Kalor uap  (U) : Banyaknya kalor ynag dibutuhkan tiap satu satuan massa zat cair untuk menjadi uap pada titik didihnya. Besar energi kalor yang dibutuhkan:

Q = m x U

dengan :

U= kalor uap (J/kg)

Faktor yang dapat dilakukan mempercepat penguapan pada zat cair antara lain:

a)  Memanaskan atau dipanaskan

b) Memperluas permukaan

c)  Meniup udara di atas permukaan

d) Mengurangi tekanan udara di permukaan

Secara umum wujud zat adalah padat, cair dan gas. Zat mampu berubah wujud jika diberi kalor dari luar sistem ataupun melepas kalor ke lingkungan. Terdapat 6 macam perubahan wujud zat, yakni :

Dari keenam perubahan wujud tersebut, dapat dikelompokkan menjadi 2 jenis perdasarkan penyerapan atau pelepasan kalor oleh sistem.

1. Perubahan wujud yang memerlukan kalor (menyerap kalor)

a. Mencair

b. Menguap

c. Menyublim

 

2. Perubahan wujud yang melepaskan kalor

a. Membeku

b. Membeku

c. Mengkristal

 

 

B. ASAS BLACK

 

Dua buah benda yang berbeda suhunya jika dicampur maka benda yang bersuhu rendah akan menyerap kalor dan benda yang bersuhu tinggi akan melepas kalor. Sesuai dengan asas Black menyatakan bahwa besarnya kalor yang diserap sama dengan kalor yang dilepas.

 

Q_lepas = Q_terima

 

Hubungan konversi energi listrik menjadi energi kalor dirumuskan:

 

W = Q

P x t = m x c x Δt

 

Keterangan:

W = energi listrik (joule)

Q = jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan (joule)

P = daya listrik (watt)

t = selang waktu pemakaian listrik (sekon)

m = massa benda (kg)

c = kalor jenis zat (joule/kg °C)          

 

C. PERPINDAHAN KALOR

 

1.   Konduksi

 

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut.

Contoh:

Pemanas batang besi

Alat masak yang terbuat dari logam

2.   Konveksi

 

Konveksi adalah perpindahan kalor pada suatu zat yang disertai perpindahan partikel-partikel zat tersebut.

Contoh:

Peristiwa memasak air

Terjadinya angin darat dan angin laut

3.   Radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas tanpa melalui perantara. 

Contoh:

Cahaya matahari dapat sampai ke bumi

Api unggun untuk menghangatkan anak pramuka

Pembuatan pengapian di rumah

 

 

Contoh Soal dan Pembahasan

 

Soal : 1

Bentuk energi yang pindah karena adanya perbedaan suhu disebut ...

a. kalori

b. kalor

c. radiasi

d. konduksi

 

pembahasan :

kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah

 

kunci : b

 

Soal : 2

Suatu benda jika diberi kalor akan mengalami ...

a. perubahan wujud dan massa zat

b. perubahan ukuran dan massa zat

c. perubahan suhu dan wujud zat

d. perubahan suhu dan ukuran zat

 

pembahasan :

salah satu bentuk fenomena yang berkaitan dengan kalor adalah terjadinya perubahan suhu suatu zat dan perubahan wujud zat dari satu bentuk ke bentuk lain, namun tidak mengubah massa suatu zat

 

kunci : c

 

Soal : 3

Satu kilokalori setara dengan ...

a.    0,42 x 10³ Joule

b.   4,20 x 10³ Joule

c.    42 x 10³ Joule

d.   420 x 10³ Joule

 

pembahasan :

Antonie Laurent Lavoisier mengemukakan bahwa kalor adalah sejenis zat cair (disebut kalorik) yang terkandung dalam setiap benda dan tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Berdasarkan teori ini, satuan kalor disebut kalori. James Prescott Joule menemukan hubungan antara kalor dan energi. Hasil percobaan Joule adalah adanya hubungan antara satuan kalor dan satuan energi yaitu 1 kal = 4,2 joule.

ó 1 kalori       = 4,2 Joule

ó 1 kilo kalori = 10³ Kalori

ó 1 kilo kalori = 4,3 x 10³ Joule

Kunci : b

 

Soal : 4

Apabila dua buah benda yang suhunya berbeda disentuhkan maka ...

a.    kalor mengalir dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi

b.   kalor mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah

c.    benda bersuhu rendah melepaskan kalor

d.   benda bersuhu tinggi suhunya bertambah

 

pembahasan :

kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah ketika kedua benda disentuhkan. Benda bersuhu tinggi melepaskan kalor sehingga suhunya turun, sedangkan benda bersuhu rendah menerima kalor sehingga suhunya naik atau bertambah

 

kunci : b

 

Soal : 5

Bilangan yang menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg zat 1 derajat C disebut ...

a. massa jenis

b. kapasitasn kalor

c. kalor jenis

d. rambatan kalor

 

pembahasan :

ó massa jenis suatu zat : massa zat dibagi volumenya

ó kapasitas kalor : banyaknya kalor yang diperlukan untuk

    menaikkan suhu zat sebesar 1 derajat C

ó kalor jenis suatu zat : banyaknya kalor yang diperlukan untuk

    menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat C

ó rambatan kalor : perpindahan kalor dari suhu tinggi ke suhu

    Rendah

 

Kunci : c

 

Soal : 6

Jika air dingin dicampur dengan air panas maka akan terjadi peristiwa ...

a. air dingin dan air panas sama-sama melepas kalor

b. air dingin dna air panas menerima kalor

c. air dingin melepas kalor dan air panas menerima kalor

d. air dingin menerima kalor dna air panas melepas kalor

pembahasan :

jika air panas dan air dingin dicampur maka air dingin akan menerima kalor dari air panas sehingga suhu air dingin naik dan air panas akan melepas kalor sehingga suhu menjadi turun

 

kunci : d

 

Soal : 7

Empat kilogram besi dipanaskan dari 20⁰C hingga 70⁰C. Kalor jenis besi 460 J/kg⁰C. Maka energi yang diperlukan adalah …

a.    9 200 Joule

b.   32 200 Joule

c.    92 000 Joule

d.   394 000 Joule

pembahasan :

diketahui,

suhu awal, T₁ = 20⁰C  dan suhu akhir, T₂ = 70⁰C

kalor jenis besi, c_B = 460 J/kg⁰C

ditanya,

energi yang diperlukan, W = … ?

jawab,

catatan => energi sama dengan kalor

ó W = Q = m.c.∆T

ó W = Q = 4 kg x 460 J/kg⁰C x (70 – 20)⁰C

ó W = Q = 92.000 J

  

Kunci : c

 

Soal : 8

Diketahui kalor jenis air 4200 J/kg⁰C. Jika 84 000 J kalor diberikan ke dalam 5 kg air. Suhu air akan naik sebesar …

a.    1 ⁰C

b.   2 ⁰C

c.    3 ⁰C

d.   4 ⁰C

 

Pembahasan :

 

Diketahui,

Kalor yang diberikan, Q = 84 000 J

Kalor jenis air, c_air = 4200 J/kg⁰C

Massa air, m_a = 5 kg

Ditanya,

Kenaikan suhu air, ∆T = … ?

Jawab,

ó           Q = m_a.c_a.∆T

ó 84 000 J = 5 kg x 4200 J/kg⁰C x ∆T

ó          Δt = 4⁰C

Kunci : d

Soal : 9

Air bermassa 100 gram berada pada suhu 20°C dipanasi hingga suhu 80° C. Jika kalor jenis air adalah 1 kal/gr °C. Tentukan jumlah kalor yang diperlukan … (nyatakan dalam satuan kalori).

Pembahasan

Diketahui,

m = 100 gram

c = 1 kal/gr°C

T₁ = 20°C

T₂ = 80°C

Ditanya,

Jumlah kalor yang diperlukan, Q = … ?

Jawab,

ó Q = m x c x ΔT

ó Q = 100 x 1 x (80 − 20)

ó Q = 100 x 60

ó Q = 6 000 kalori

 

Soal : 10

Air bermassa 100 gram berada pada suhu 20°C dipanasi hingga mendidih. Jika kalor jenis air adalah 4200 J/kg°C. Tentukan jumlah kalor yang diperlukan … (nyatakan dalam satuan joule).

Pembahasan

Diketahui,

m = 100 gram = 0,1 kg

c = 4200 J/kg °C

T₁ = 20°C

T₂ = 100°C

Ditanya,

Kalor yang diperlukan, Q = … ?

Jawab,

ó Q = m x c x Δ T

ó Q = 0,1 x 4200 x (100−20)

ó Q = 420 x 80

ó Q = 33 600 joule

 

Soal : 11

Es massa 200 gram bersuhu − 5°C dipanasi hingga suhunya menjadi − 1°C, jika kalor jenis es adalah 0,5 kal/gr °C. Tentukan berapa kalori kalor yang diperlukan dalam proses tersebut.

Pembahasan :

Diketahui,

m = 200 gram

c = 0,5 kal/gr°C

T₁ = −5°C

T₂ = −1°C

Ditanya, Kalor yang diperlukan, Q = … ?

Jawab,

ó Q = m x c x Δ T

ó Q = 200 x 0,5 x (−1−(−5))

ó Q = 100 x 4

ó Q = 400 kalori

Soal : 12

Es bermassa 150 gram berada pada suhu 0°C dipanasi hingga seluruhnya melebur menjadi air yang bersuhu 0°C. Tentukan jumlah kalor yang diperlukan untuk proses tersebut! (Kalor lebur es = 80 kal/g)

Pembahasan

Diketahui,

m = 150 gram

L = 80 kal/gr

Ditanya, Kalor untuk melebur seluruh es, L = … ?

Jawab,

ó Q = m x L

ó Q = 150 x 80

ó Q = 12 000 kalori

Soal : 13

Es bermassa 250 gram bersuhu − 5°C dipanasi hingga melebur menjadi air bersuhu 0°C. Jika kalor jenis es 0,5 kal/gr°C, dan kalor lebur es adalah 80 kal/gr, tentukan kalor yang diperlukan untuk proses tersebut.

Pembahasan :

Diketahui,

m = 250 gram

c_es = 0,5 kal/gr°C

L_es = 80 kal/gram

Ditanya, kalor yang diperlukan Q_Tot = … ?

Jawab,

Proses 1, menaikkan suhu es,

ó Q₁ = m x c x ΔT

ó Q₁ = 250 x 0,5 x 5

ó Q₁ = 625 kalori kalori

Proses 2, meleburkan seluruh es,

ó Q₂ = m x L

ó Q₂ = 250 x 80

ó Q₂ = 20000 kalori

Jumlah kalor seluruhnya,

ó Q_Tot = Q₁ + Q₂

ó Q_Tot = 625 + 20000

ó Q_Tot = 20.625 kalori

Soal : 14

Es bermassa 200 gram bersuhu − 5°C dipanasi hingga melebur menjadi air bersuhu 100°C. Jika kalor jenis es 0,5 kal/gr°C, kalor jenis air adalah 1 kal/gr°C dan kalor lebur es adalah 80 kal/gr, tentukan jumlah kalor yang diperlukan untuk proses tersebut.

Pembahasan,

Diketahui,

m_es = m_air = 200 gram

c_es = 0,5 kal/gr°C

c_air = 1 kal/gr°C

L_es = 80 kal/gram

Ditanya, jumlah kalor yang diperlukan Q_Tot = … ?

Proses 1, menaikkan suhu es

ó Q₁ = m x c x ΔT

ó Q₁ = 200 x 0,5 x (0 – (- 5))

ó Q₁ = 500 kalori

Proses 2, meleburkan seluruh es,

ó Q₂ = m x L

ó Q₂ = 200 x 80

ó Q₂ = 16 000 kalori

Proses 3, menaikkan suhu air dari 0 hingga 100,

ó Q₃ = m x c x ΔT

ó Q₃ = 200 x 1 x (100 – 0)

ó Q₃ = 20 000 kalori

Keseluruhan jumlah kalor yang diperlukan

ó Q_Tot = Q₁ + Q₂ + Q₃

ó Q_Tot = 500 + 16 000 + 20 000

ó Q_Tot = 36.500 kalori

 

Soal : 15

Air bersuhu 20°C dengan massa 200 gram dicampur dengan air bersuhu 90°C bermassa 300 gram. Tentukan suhu akhir campuran.

Pembahasan :

Diketahui,

m₁ = 200 gram

m₂ = 300 gram

c₁ = c₂ = 1 kal/gr°C

ΔT₁ = t − 20

ΔT₂ = 90 – t

Ditanya, suhu campuran, t = …?

Jawab,

Azas black :

ó Q_lepas = Q_terima

ó m₂ x c₂ x ΔT₂ = m₁ x c₁ x ΔT₁

ó 300 x 1 x (90 − t) = 200 x 1 x (t − 20)

ó 27000 − 300t = 200t − 4000

ó 27000 + 4000 = 300t + 200t

ó 31000 = 500t

ó t = 31000/500

ó t = 62°C

Soal : 16

Sepotong logam dengan kalor jenis 0,2 kal/gr°C bermassa 100 gram bersuhu 30°C dimasukkan pada bejana berisi air yang bersuhu 90°C bermassa 200 gram. Jika kalor jenis air adalah 1 kal/gr°C dan pengaruh bejana diabaikan tentukan suhu akhir logam.

Pembahasan

Diketahui,

m₁ = 100 gram

m₂ = 200 gram

c₁ = 0,2 kal/gr°C

c₂ = 1 kal/gr°C

ΔT₁ = t − 30

ΔT₂ = 90 − t

Ditanya, suhu campuran, t = …. ?

Azas black :

ó Q_lepas = Q_terima

ó m₂ x c₂ x ΔT₂ = m₁ x c₁ x ΔT₁

ó 200 x 1 x (90 − t) = 100 x 0,2 x (t − 30)

ó 18000 − 200t = 20 t − 600

ó 18000 + 600 = 200t + 20t

ó 18600 = 220t

ó t = 18600 / 220

ó t = 84,5 °C

Soal : 17

Perhatikan grafik berikut,

Air bermassa 500 gram mengalami penurunan suhu dari D menjadi C. Jika kalor jenis air 4200 J/kg°C, tentukan jumlah kalor yang dilepaskan oleh air sebesar …. (nyatakan dalam satuan kilojoule).

Pembahasan :

ó Q = m x c x ΔT

ó Q = 0,5 x 4200 x (0 – 50)

ó Q = - 105.000 joule

ó Q = - 105 kJ

(tanda minus menunjukkan kalor dilepaskan)

Soal : 18

Peristiwa-peristiwa berikut berkaitan dengan proses perpindahan kalor. Pilahkan peristiwa-peristiwa di atas berdasarkan kaitannya dengan perpindahan kalor secara konduksi, konveksi dan radiasi.

1)   besi yang dibakar salah satu ujungnya, beberapa saat kemudian

    ujung yang lain terasa panas.

2)   terjadinya angin darat dan angin laut

3)   sinar matahari sampai ke bumi

4)   api unggun pada jarak 3 meter terasa panas

5)   asap sisa pembakaran bergerak melalui cerobong dapur

6)   air yang direbus, bagian bawah mengalir ke atas.

7)   gelas kaca diisi air panas, bagin luar gelas ikut terasa panas.

8)   pakaian yang lembab disetrika menjadi kering

Pembahasan

1)   besi yang dibakar salah satu ujungnya, beberapa saat kemudian

    ujung yang lain terasa panas (konduksi).

2)   terjadinya angin darat dan angin laut (konveksi).

3)   sinar matahari sampai ke bumi (radiasi).

4)   api unggun pada jarak 3 meter terasa panas (radiasi).

5)   asap sisa pembakaran bergerak melalui cerobong dapur

    (konveksi).

6)   air yang direbus, bagian bawah mengalir ke atas (konveksi).

7)   gelas kaca diisi air panas, bagin luar gelas ikut terasa

    panas(konduksi).

8)   pakaian yang lembab disetrika menjadi kering(konduksi).