Tampilkan posting dengan label fisika suhu dan kalor. Tampilkan semua posting
Tampilkan posting dengan label fisika suhu dan kalor. Tampilkan semua posting

Rabu, 25 Februari 2015

Kalor adalah energi yang merambat karena adanya perbedaan suhu. Media perambatan kalor dapat berupa zat pada, zat cair maupun gas. Selain itu, kalor juga dapat dipancarkan dan ditangkap tanpa media perambatan. Berikut ini 3 macam peristiwa perpindahan kalor

1. Konduksi.
Jika jari kita langsung menyentuh api, maka jari kita akan langsung merasakan panas. Jika kita memegang suatu batang logam yang salah satu ujungnya kita sentuhkan ke api, jari kita mula-mula dingin, setelah beberapa waktu akhirnya juga merasakan panas. Hal ini berarti panas merambat melalui batang logam. Partikel-partikel batang logam tidak ikut mengalir/berpindah. Perpindahan kalor dengan dengan cara tersebut diatas disebut dengan konduksi.
Laju kanduksi didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang mengalir tiap satuan waktu
Besarnya laju konduktifitas tergantung pada :
- Sebanding dengan luas penampang (A) dalam satuan m2
- Sebanding dengan perbedaan suhu (ΔT) dalam satuan oC atau K
- Berbanding terbalik dengan panjang (L) dalam satuan m
- Sebanding dengan konduktifitas termal zat (k) dalam satuan J/s.m. oC atau J/s.m.K
Rumus matematik, laju konduksi sebagai berikut :
Q/t  =  (kAΔT)/L
Keterangan:
Q = kalor (joule)
k = koefisien konduski (konduktivitas termal)
t = waktu (s)
A = luas penampang (m 2)
L = panjang logam (m)
T = Suhu (Kelvin)
Konduktifitas termal merupakan karakteristik suatu zat. Zat yang memiliki konduktivitas termal besar disebut konduktor panas yang baik.
Lihat tabel berikut :

Sebuah ruangan memiliki 4 buah jendela yang masing-masing memiliki luas 2 m2 dan tebal 3 mm. Suhu Bagian luar ruangan 28 oC dan dalam ruangan 27oC. Hitung laju kalor konduksi yang melalui jendela tersebut!
Jawab
Q/t  =  (kAΔT)/L  =  (0,84 . 8 . 1)/10-3 = 2240 W

2. Konveksi
Ketika air dalam panci dipanaskan, mula-mula air bagian bawah akan mengalami panas terlebih dahulu dibandingkan air bagian atas. Akibatnya, volume air bagian bawah lebih besar sehingga massa jenisnya mengecil. Ciri-ciri zat yang memiliki massa jenis kecil yaitu zat tersebut bersifat ringan. Demikian juga pada percobaan ini, sehingga air bagian bawah akan naik. Kemudian air yang lebih dingin (massa jenis lebih besar) akan turun mengisi tempat yang ditinggalkan air yang telah menjadi panas. Aliran kalor seperti ini disebut konveksi alamiah.
Contoh konveksi alamiah lainnya yaitu :
- cerobong asap
- arus laut panas/dingin
- aliran udara (angin)
Selain konveksi alamiah, juga ada konveksi paksa. Konveksi ini terjadi jika zat cair atau gas dipaksa mengalir, seperi pada hair dryer dan AC.
Berdasarkan contoh diatas, kita dapat mengetahui perbedaan konveksi dan konduksi. Pada konveksi, partikel-partikel zat mengalami perpindahan dalam menghantarkan kalor, sedangkan pada konduksi tidak. Selain itu konveksi hanya terjadi pada fluida, yaitu zat cair dan gas, sedangkan konduksi hanya terjadi pada zat padat.
Banyaknya kalor yang dipindahkan ke fluida setiap satuan waktu disebut kaor konveksi yang besarnya:
- Sebanding dengan luas penampang (A) dalam satuan m2
- Sebanding dengan perbedaan suhu (ΔT) dalam satuan oC atau K
- Sebanding dengan koeffisien konveksi zat (h) dalam satuan W/m2K
Laju kalor konveksi dirumuskan sebagai berikut :
  Q/t   = hAΔT
Besarnya nilai koeffisien konveksi (h) bergantung dari viskositas fluida, kecepatan fluida, perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida, kapasitas panas fluida, rapat massa fluida, dan bentuk permukaan kontak. Nilai ini diperoleh dari percobaan.


Contoh Soal
Sebuah panci berisi air bersuhu 10 oC diletakkan di atas kompor gas bersuhu 70 oC. Jika luas permukaan panci yang dikenai panas (3,14 x 10 -2) m2, tentukan banyaknyakalor yang dilepaskan ke air untuk konveksi selama 1 menit. Diketahui h = 7,0 J/m2K dan system dianggap tidak dipengaruhi perpindahan panas secara konduksi pada panci.
Jawab :
Q/t   = hAΔT
Q   = hAΔT. T = 7,0 . (3,14 x 10 -2 ) . 60. (1.60) = 791,28 J

3. Radiasi
Konveksi atau konduksi memerlukan media, tetapi kalor dari matahari mencapai bumi melalui ruang hampa. Transfer kalor tanpa tanpa melalui media perantara disebut radiasi. Contoh lain radiasi adalah panas dari perapian yang sampai ketubuh kita.



Bagaimanakah proses radiasinya? matahari adalah sumber cahaya di bumi, sinarnya masuk ke bumi melewati filter yang disebut atmosfer, sehingga cahaya yang masuk ke bumi adalah cahaya yang tidak berbahaya. Cahaya yang masuk ke bumi melalui lapisan atmosfer itu dikenal dengan gelombang elektromagnetik yang terbagi ke dalam gelombang pendek dan gelombang panjang. Seperti Radio, TV, Radar, Inframerah, Cahaya Tampak, Ultraviolet, Sinar X dan Sinar Gamma.
Sinar Gelombang Elektromagnetik tersebut dibedakan berdasarkan panjang gelombang dan frekuensinya. Semakin besar panjang gelombang semakin kecil frekuensinya. Energi radiasinya tergantung dari besarnya frekuensi dalam arti semakin besar frekuensi semakin besar energi radiasinya. Sinar Gamma adalah gelombang elektromagnetik dan sinar radioaktif dengan energi radiasi terbesar.
Dalam kasus ini, terdapat hal yang disebut radiasi benda hitam, yang memaparkan bahwa semakin hitam benda tersebut maka energi radiasi yang dikenainya juga makin besar. Hal ini adalah fakta sehari-hari. Saat kita menjemur pakaian hitam dan putih dibawah sinar matahari berwarna dengan jenis dan tebal yang sama, maka pakaian warna hitam akan lebih cepat kering dibandingkan dengan pakaian berwarna putih.
Oleh karena itu, warna hitam dikatakan sempurna menyerap panas, sedangkan warna putih mampu memantulkan panas atau cahaya dengan sempurna. Sehingga emisivitas bahan (kemampuan menyerap panas) untuk warna hitam e = 1 sedangkan warna putih e = 0. Untuk warna lainnya berkisar antara 0 dan 1.
Besarnya energi radiasi benda hitam tergantung pula pada tingkat derajat suhunya. Seperti yang terlihat dari rumus energi radiasi berikut:
P = Q/t = e σ A T4
Keterangan:
P = Daya
Radiasi/Energi Radiasi setiap Waktu (watt)
Q =
Kalor (joule)
t =
waktu (s)
e =
emisivitas bahan
A = luas
penampang (m 2)
T = suhu (
kelvin)
o =
konstanta stefan boltzmann (5,67 x 10 - 8)
Sumber : http://www.gomuda.com/2013/04/perpindahan-kalor-konduksi-konveksi-dan.html
Jika benda bersuhu T2 berada dalam lingkungan bersuhu T1 maka laju kalor radiasi neto adalah sebagai berikut : 
P = Q/t = e σ A (T14 – T24)
Salah satu contoh pemanfatan konsep konduksi, konveksi dan radiasi adalah termos. Termos digunakan untuk menyimpan air panas dalam waktu yang relatif lama. Karena suhu air lebih tinggi daripada suhu lingkungan maka air panas dalam termos mempunyai kecenderungan melepaskan kalor ke lingkungan dengan tiga cara yaitu konveksi, konduksi dan radiasi. Untuk mengatasi aliran kalor secara konduksi dinding dan tutup termos di buat dari bahan isolator, seperti gelas atau gabus. Untuk mengatasi aliran secara konveksi maka dinding termos dibuat rangkap dengan penyekat hampa. Untuk mengatasi aliran kalor secara radiasi, dinding termos dibuat putih mengkilap,




Sumber :
Sumber : http://rumushitung.com/2013/03/14/asas-black-kalor/
FISIKA untuk SMS/MA kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo. 2007

Materi Suhu dan Kalor lainnya :
  1. KALOR ATAU PANAS
  2. PEMUAIAN
  3. PERUBAHAN WUJUD DAN ASAS BLACK 
  4. SUHU DAN SKALA PADA TERMOMETER
  5. soal suhu dan kalor
 

Setiap benda memiliki wujud (fase) padat, cair atau gas. Yang menentukan wujud suatu zat adalah suhu dan tekanan zat tersebut .
Misalkan air pada tekanan 1 atmosfer berwujud :
Padat (es) Pada suhu dibawah 0oC
Cair (air) pada suhu diantara 0oC – 100 oC
Gas (uap air) pada suhu diatas 100 oC
Pada tekanan di bawah atmosfer, air bias mendidih pada suhu di bawah 100 oC. Oleh karena itu kalau kita memanaskan air di daerah pegunungan air  bias mendidih pada suhu 80 oC, sehingga jika kita membuat kopi bias segera diminum.
Raksa termasuk logam berujud gas  pada suhu kamar dan tekanan 1 atm. Besi akan berwujud cair pada suhu 1535 oC dapa tekanan 1 atm.
Suhu benda saat terjadinya perubahan wujud disebut :
- titik beku ketika zat sedang membeku
- titik lebur/titik leleh ketika zat sedag melebur/mencair
- titik didih ketika zat sedang menguap
- titik embun ketika zat sedang mengembun
Besarnya titik beku = titik lebur Misalnya titik beku air (dari air menjadi es) adalah 0oC, titik lebur air (dari es menjasi air) adalah 0oC. Besarnya titk didih air (dari air menjadi uap) adalah 100oC, titik embun air (dari uap menjadi air) adalah  100oC.
Zat dapat berubah wujud jika diberikan panas atau melepaskan panas.
Ada 6 macam perubahan wujud zat yaitu:
- Membeku yaitu perubahan wujud zat dari cair ke padat cantohnya : air menjadi es
- Mencair atau melebur yaitu perubahan wujud zat dari padat ke cair. Contoh: es menjadi air, mentega yag meleleh
- Menyublim  yaitu perubahan wujud zat dari padat ke gas contohnya penguapan kapur barus
- Deposisi yaitu perubahan wujud zat dari gas ke padat, contohnya jelaga yang merupakan hasil pembakaran pada lampu minyak.
- Menguap yaitu perubahan wujud zat dari cair ke gas, contohnya: air yang mendidih akan menguap menjadi asap
- Mengembun yaitu perubahan wujud zat dari gas ke cair, contohnya embun di pagi hari
Jika benda menyerap kalor selama fase benda masih sama maka suhu benda akan naik, volume bertambah d an dikatakan benda mengalami pemuaian.
Ketika terjadi perubahan wujud, zat memerlukan energi untuk memutuskan ikatan molekul. Molekul-molekul yang telah terputus ikatannya akan meninggalkan wujud semula menjadi wujud baru. Oleh kare itu, selama terjadi perubahan wujud, suhu tidak mengalami perubahan.
Kalor tidak selalu menaikkan suhu. Percobaan lebih lanjut menunjukkan bahwa besarnya kalor (Q) yang diperlukan suatu zat untuk melakukan perubahan wujud hanya tergantung pada massa zat (m).
Q ~ m
Kalor yang diperlukan persatuan massa saat terjadinnya perubahan zat disebut kalor laten (L)
Q = Lm.
Kalor yang diserap benda digunakan untuk dua kemungkinan, yaitu untuk menaikkan suhu atau untuk mengubah wujud benda. Misalnya, saat es mencair, ketika itu benda berubah wujud, tetapi suhu benda tida berubah meski ada penambahan kalor. Kalor yang diberikan ke es tidak digunakan untuk mengubah suhu es, tetapi untuk mengubah wujud benda. Kalor ini disebut kalor laten.

Kalor laten merupakan kalor yang dibutuhkan 1 kg zat untuk berubah wujud.
Kalor laten ada dua macam, yaitu kalor lebur dan kalor didih (kalur uap).
1.  Kalor lebur merupakan kalor yang dibutuhkan 1 kg zat untuk melebur. Kalor yang dibutuhkan untuk melebur sejumlah zat yang massanya m dan kalor leburnya Lf dapat dirumuskan sebagai berikut.
Q = m × Lf atau Lf = Q/m
Keterangan:
Q : kalor yang diperlukan (J)
m : massa zat (kg)
Lf : kalor lebur zat (J/kg)
2. Kalor didih merupakan kalor yang dibutuhkan 1 kg zat untuk mendidih/menjadi uap. Kalor ini sama dengan kalor yang diperlukan pada zat untuk mengembun. Jadi, kalor yang dibutuhkan 1 kg air untuk menguap seluruhnya sama dengan kalor yang dibutuhkan untuk mengembun seluruhnya. Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan sejumlah zat yang massanya m dan kalor didih atau uapnya Lv, dapat dinyatakan sebagai berikut.
Q = m Lv
Keterangan:
Q : kalor yang diperlukan (J)
m : massa zat (kg)
Lv : kalor didih/uap zat (J/kg)

Contoh Soal
Hitung jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg es bersuhu – 20 oC menjadi uap air 120oC!
Kemudian nyatakan  dalam grafik sebagai fungsi kalor !
Ces = 2100 J/kg oC, Lf = 3,33 x 105 J/kg, Cair = 4200 J/kg oC. Lv = 22,6 x 10 5 J/kg, Cuap = 2010J/kgoC
 Jawab :
Es : -20 oC  - es :0 oC
Q1 = m C es ΔT1 = 1 . 2100 . 20 = 4,2 x 10 4 J
Es : 0 oC – air : 0 oC
Q2 = m. Lf = 1 . 3,33 x 10 5  = 3,33 x 10 5 J
Air :  0 oC – 100 oC
Q3 = m C air . Δ T2 = 1 . 4200 . 100 = 4,2 x 10 5 J
Air : 100 oC – uap : 100 o C
Q4 = m Lv = 1 . 22,6 x 10 5 = 22,6 x 105
Uap ; 100 oC – uap 120 oC
Q5 = M C uap ΔT3 = 1 . 2010 . 20 = 4,02 x 10 4 J
Jumlah kalor keseluruhan = Q1  +  Q2  +  Q3  +  Q4  +  Q5  =3.095.200 J 

ASAS BLACK
Dalam sistem yang erisolasi, seperti dalam termos atau dalam kalorimeter, berlaku hukum kekekalan energi. Jika terjadi transfer energi melalui kalor, dimana benda yang bersuhu tinggi melepaskan kalor dan benda yang bersuhu rendah menyerap kalor sehingga tercapai keseimbangan termal, maka besarnya kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diserap.
Bunyi  asas black sendiri adalah :
Jumlah kalor yang dilepas oleh materi yang bersuhu lebih tinggi akan sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh materi yang suhunya lebih rendah” bisa juga disederhanakan Kalor yang dilepas akan sama dengan kalor yang diterima.
Dari bunyi asas black tersebut bisa diperoleh persamaan atau rumus asas black
Kalor Lepas = Kalor Terima
     Qlepas = Qterima
dengan rumus Q = m c Δt, maka
m2 c2 Δt2 = m1 c1 Δt1
jika Δt2 dan Δt1 didapat dari  skema berikut

maka rumus asas black menjadi
m2 c2 Δt2 = m1 c1 Δt1
m2 c2 (t2-ta) = m1c1 (ta-t1)
Keterangan :
m2 = masa materi yang suhunya lebih tinggi
c2    = kalor jenis materi yang suhunya lebih tinggi
m1 = masa materi yang suhunya lebih rendah
c1    = kalor jenis materi yang suhunya lebih rendah
T2 = suhu yang lebih tinggi
T1  = suhu yang lebih rendah
Ta = suhu akhir / suhu campuran
Contoh Soal Asas Black
Kita pakai contoh soal yang sangat sederhana, perhatikan gambar di bawah jika volume air di gelas B adalah setengah dari volume di gelas A, maka berapa suhu campurannya di gelas C?
Jawab :
Q lepas = Q terima

m2 c2 (t2-ta) = m1c1 (ta-t1)
m = volume x masa jenis = V.ρ
Vb.ρ c2(t2-ta) = Va.ρ c2(ta-t1)
Vb. (t2-ta) = Va. (ta-t1)
1/2 Va.(t2-ta) = Va. (ta-t1)
1/2 (40-ta) = (ta-25)
40-ta = 2ta-50
40+50 = 2ta+ta
90 = 3 ta
ta = 30 oC

Contoh Soal:
Bejana alumunium yang memiliki kapasitas 70 kal/g berisi air bersuhu 25 o C sebanyak 100 g. Suatu logam bersuhu 100 o C dan massa 150 dimasukkan ke dalam air tersebut. Stelah kesetimbangan termal, ternyata suhu campuran adalah 32 oC. Berapa besar kalor logam itu ?
Jawab :
Menurut asas Black
Qlepas  =  Q terima
Q1 = Q2 + Q3
m1c1ΔT1  =  m2c2ΔT2  +  C3ΔT2   =   ΔT2 (m2c2  +  C3)
150 . cL . (100-32) = (32-25) (100 . 1 . 70)
10200 cL = 1190
cL = 1190 / 10200 = 0,12 kal/g o C


Sumber :
Sumber : http://rumushitung.com/2013/03/14/asas-black-kalor/
FISIKA untuk SMS/MA kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo. 2007

Materi Suhu dan Kalor lainnya :
  1. KALOR ATAU PANAS
  2. PEMUAIAN
  3. PERUBAHAN WUJUD DAN ASAS BLACK 
  4. SUHU DAN SKALA PADA TERMOMETER
  5. soal suhu dan kalor
Subscribe to RSS Feed Follow me on Twitter!