Pembelajaran 2

Perubahan Wujud

 Ketika sejumlah kalor diterima atau dilepas oleh suatu zat, maka ada dua kemungkinan yang terjadi pada suatu benda, yaitu benda akan mengalami  perubahan suhu, atau mengalami perubahan wujud.

Kenaikan suhu suatu benda dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan yang mengkaitkan dengan kalor jenis atau kapasitas kalor.

Sedangkan pada saat benda mengalami perubahan wujud, maka tidak terjadi perubahan suhu, namun semua kalor saat itu digunakan untuk merubah wujud zat, yang dapat ditentukan dengan persamaan yang mengandung unsur kalor laten.

Besar kalor laten yang digunakan untuk mengubah wujud suatu zat dirumuskan :

Q = m.L

Dengan keterangan,

Q             : kalor yang diterima atau dilepas (Joule atau kal)

m            : massa benda (kg atau gram)

L              : kalor laten (J/kg atau kal/gr)   (kalor  uap atau kalor lebur)

   image035

Adanya kalor laten berupa kalor lebur dan kalor didih sangat sering dijumpai dalam kehidupan, seperti meleburnya es cream pada suhu normal, atau mendidihnya air sebelum dikonsumsi untuk kehidupan sehari-hari.

Perubahan wujud ini dapat dijelaskan dengan teori kinetik, yang menyatakan bahwa saat mencapai titik lebur atau titik didih, kecepatan getar zat akan bernilai maksimum, sehingga kalor yang diterima tidak digunakan untuk menambah kecepatan, namun digunakan untuk melawan gaya ikat antar molekul zat. Sehingga saat molekul-molekul itu dapat melepaskan ikatannya, maka zat akan berubah wujud melebur atau mendidih.

Contoh:

1.      Tentukan kalor yang diperlukan untuk meleburkan 10 kg es pada suhu 0 °C. jika kalor lebur es 3,35. 105 J/kg !

Jawab :

Q = m . L

Q = 10 kg . 3,35. 10 5 J/kg

Q = 3,35. 106 J

2.               Berapakah banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah 2 gram es pada suhu 0 °C menjadi uap air   pada suhu 100 °C ? (c air = 4.200 J/kg K, L es = 336 J/ g, L uap = 2.260 J/g)

        Penyelesaian :

        Diketahui : m es   = 0 °C                                    

         t air  = 0 °C

         tdidih   = 100 °C

         c air = 4.200 J/kg K

L es = 336 J/ Kg

L uap = 2.260 J/g                              

Ditanya : Q total……..?         

Jawab :

Q1 = m es x L es

      = (2) x (336)

      = 672 Joule

     Q2 = m es x c air x ∆t

        = (2 x 10-3)(4.200)(100)

        = 840 Joule

  Q3 = mes x L uap

       = (2) (2.260)

       = 4.520 Joule

   Jadi Q total = Q1 + Q2 + Q3

                      = 672 + 840 + 4.520

                       = 6.032 Joule

image036                         

Gambar 3. Percobaan  mengukur kalor jenis berbagai logam menggunakan kalorimeter

  Perpindahan Kalor

 image045

Setelah sekilas memahami adanya sejumlah kalor dapat menyebabkan perubahan wujud atau kenaikan suhu pada suatu benda, serta telah dipelajarinya proses pemuaian sebagai dampak  adanya penyerapan kalor pada benda, yang tentunya menuntut pemahaman tentang adanya konsep konversi dari berbagai satuan dari besaran perubahan suhu, maka yang tak kalah pentingnya dari semua itu  bahwa kalor sebagai suatu bentuk energi ternyata dapat mengalami perubahan tempat, atau dikatakan bahwa kalor dapat berpindah tempat.

Tanpa usaha luar, maka kalor sebagai suatu bentuk energi dapat berpindah tempat dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah dengan berbagai cara, yaitu :

1.                   Konduksi

Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Saat ujung pertama dipanaskan, maka ujung yang lain, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakan energi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung yang lain turut menggetarkan molekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik pertama.

Picture1

Energi kalor yang dipindahkan secara konduksi  sebesar,

image046

Sedang besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan,

image047

  H          = laju aliran kalor (J/s atau watt)

Q          = kalor yang dipindahkan (joule)

t            = waktu (s)

k           = konduktivitas termal zat (W/mK)

A          = luas penampang melintang (m2)

∆t         = perubahan suhu (°C atau K)

l            = tebal penghantar (m)

 image048  

Contoh soal:

1.      Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik  sambungan  = T. maka

[ k . A ∆T/L) ] besi = [ k . A ∆T/L) ] kuningan

k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350) / l

T= 2600/7= 371,4ºC

2.                 Konveksi

Konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. Umumnya konveksi terjadi pada gas dan zat cair.

Energi kalor yang dipindahkan secara konveksi  sebesar,

Q = hA ∆t  

Kecepatan perpindahan kalor di sekitar suatu benda dirumuskan : 

image049 

H          = laju aliran kalor (J/s atau watt) 

Q          = kalor yang dipindahkan (joule) 

t            = waktu (s) 

h           = koefisien konveksi (W/m2K) 

A          = luas penampang melintang (m2) 

∆t         = perubahan suhu (°C)  

3.                   Radiasi 

Radiasi adalah hantaran kalor yang tidak memerlukan medium perantara, seperti kalor dari matahari yang sampai ke bumi, kalor api unggun yang sampai pada orang yang ada di sekitarnya, pendingin (pemanas) rumah, pengeringan kopi, pembakaran dengan oven dan efek rumah kaca.  

Energi kalor yang dipindahkan secara radiasi  sebesar, 

Q = e   s  A T4

Laju aliran kalor tiap satuan waktu dalam radiasi dirumuskan : 

image049 

Intensitas radiasi sebesar, 

R = e s  T4  

H          = laju aliran kalor tiap satuan waktu (J/s atau watt) 

R           = intensitas radiasi ( W/m2) 

Q          = kalor yang dialirkan (J) 

t            = waktu (s) 

A          = luas (m2), luas permukaan lingkaran = 4.p.r

T           = suhu (K) 

e           = emisivitas benda (tanpa satuan) 

                (e bernilai 1 untuk benda hitam sempurna, dan bernilai 0 untuk benda tidak hitam sama sekali. Pengertian benda hitam sempurna disini adalah benda yang memiliki kemampuan menyerap semua kalor yang tiba padanya, atau mampu  memancarkan  seluruh energi yang dimilikinya).  

Contoh: 

1.      Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m2 dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:

a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas

b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam. 

Jawab:  

Benda hitam, maka  e = 1 

     T1 = 300 K 

     T2 = 350 K 

         s= 5,67 x 10-8 watt/m2K4

a.   R    = e s ( T24 - T14

            = 1. 5,672.10-8 (3504 - 3004)

           = 391,72 watt/m

b.  R = Q/A.t 

     Q = R. A. t

     Q = 391,72. 0,5. 3600 = 705.060 Joule

C. Asas Black   

Ilmuwan Inggris pada tahun 1761 Joseph Black menyatakan bahwa kalor yang diberikan suatu benda sama dengan kalor yang diterima pada suatu benda dalam suatu sistem tertutup. Sistem tertutup tersebut dapat dilakukan dalam suatu kalorimeter, misalkan ada jumlah masa m1 zat, bersuhu t1, kemudian dicampuri dengan sejumlah masa m2 zat lain bersuhu t2 dan keduanya dapat ditentukan dengan persamaan: 

Qserap = Qlepas

Bunyi asas Black “ Kalor yang diserap/diterima sama dengan kalor yang dilepas.

Persamaan di atas dikenal dengan nama asas Black atau hukum kekekalan energi kalor.

Contoh:

Jika 2 kg air bersuhu 5 0C dicampur dengan 5 kg air bersuhu 26 0C, maka tentukan suhu akhir campuran kedua zat !

Jawab :

Karena kedua zat sejenis, maka kalor jenis dari kedua zat adalah sama, dan dapat saling meniadakan. 

Q serap = Q lepas 

m1.c.∆t1 = m2.c. ∆t2

2.c.(t-5) = 5.c.(26-t)

2.t – 10 = 130-5.t

t = 140 : 7

t = 200C

Jika 0,5 kg es bersuhu -10 0C dicampur dengan sejumlah air bersuhu 40 0C, sehingga  suhu campurannya adalah 20 0C, maka tentukan massa dari air yang dicampurkan !

(ces  =  2100 J/kg.0C, c air  =  4200 J/kg.K, Les = 3,35.105 J/kg)

Jawab :

Dalam proses ini es akan mengalami tiga tahap wujud , yaitu padat (es),

melebur dan wujud cair. Sedang air bersuhu 400C hanya mengalami satu tahapan, yaitu perubahan suhu.

                                                Q serap (es) = Q lepas (air)

                                                Q1 + Q2 +Q3 = Q4

                                                m1.ces.∆t1 + m1.L + m1.cair.∆t2 = m2.cair.∆t3

             0,5x2.100x(0-(-10)) + 0,5x3,35.105 + 0,5x4.200x(40-20)= m2x4.200(40-20)

             10.500 + 1,675.105 + 42.000 = 84.000 x m2

              m2 =2,61kg 

 

«Pendahuluan      Daftar Isi      »Rangkuman