Kalor

Pernah minum es teh, es susu, es sirup dkk ? Nah, ketika membuat es teh, biasanya kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Air panas atau air hangat memiliki suhu yang lebih tinggi, sebaliknya es batu memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah bersenggolan beberapa saat, campuran es batu dan teh panas pun berubah menjadi es teh (campuran es batu dan teh hangat telah mencapai suhu yang sama). Proses yang sama terjadi ketika kita mencampur air panas dengan air dingin. Setelah bersentuhan, air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat… (Campuran air panas dan air dingin telah mencapai suhu yang sama). Btw, mengapa bisa terjadi seperti itu ? maksudnya, mengapa setelah bersentuhan benda-benda tersebut bisa mencapai suhu yang sama ? 

Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Ketika kita memasukkan besi panas ke dalam air dingin, kalor mengalir dari besi menuju air. Kalor akan berhenti mengalir setelah besi dan air mencapai suhu yang sama. Ketika dokter atau perawat menempelkan termometer ke tubuhmu (misalnya kalau dirimu lagi demam), kalor mengalir dari tubuhmu menuju termometer. Kalor akan berhenti mengalir kalau tubuhmu dan termometer telah mencapai suhu yang sama. Kalau termometernya pakai air raksa, maka ketika tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama, air raksa tidak jalan-jalan lagi. Angka yang ditunjukkan permukaan air raksa merupakan suhu tubuhmu saat itu. Kalau termometer yang dipakai berupa termometer digital, angka pada bagian tengah termometer akan terhenti setelah tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama. Angka yang ditunjukkan termometer adalah suhu tubuhmu.

Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung menyamakan suhu benda yang bersentuhan. Jangan tanya gurumuda mengapa demikian… dari sononya memang sudah begitu. Mirip seperti kalau dirimu lihat cewek atau cowok cakep, dirimu penasaran. Lagi kangen berat sama pacar, malamnya cuma bolak balik di tempat tidur. Mengapa bisa demikian ? dari sononya sudah begitu :) mengapa laki2 harus kawin dengan perempuan ? dari sononya sudah begitu… mengapa tikus tidak pacaran dengan kucing ? dari sononya sudah begitu…

Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakanCaloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.

Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.

 

kalor-1

Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil, maka kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.

Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha(W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban(w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).

Dirimu jangan pake bingung dengan konsep usaha dan energi ini… Mirip seperti ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok. Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi dalam tubuhmu berkurang, di mana sebagian energi dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv2. m = massa motor, v = kecepatan motor). Energi sepeda motor ini sebenarnya berasal dari energi tubuhmu. Kesimpulan : kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha/kerja pada motor, energi dari tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor. Kasus ini mirip dengan percobaan om Jimi di atas. Ketika berputar dalam air, pengaduk melakukan kerja/usaha pada air sehingga energi pengaduk dipindahkan ke air. Adanya tambahan energi dari pengaduk ini yang membuat si air kepanasan (suhu air meningkat).

Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena adanya aliran kalor dari api menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat). Amati gambar di bawah….

 

kalor-2Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya merupakanpemindahan energi. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu)Kalor adalah energi yang berpindah. Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda2 yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 Co (Tepatnya dari 14,5 oC menjadi 15,5 oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda2 untuk suhu air yang berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 oC hanya terjadi antara suhu 14,5 oC sampai 15,5 oC. Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar).

Satuan kalor untuk sistem Bristish adalah Btu (British thermal unit = satuan termal Inggris). 1 Btu = jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pound air sebesar 1 Fo (Tepatnya dari 63 oF menjadi 64 oF) .

Kalor memiliki keterkaitan dengan energi (Dalam hal ini, kalor merupakan “energi yang berpindah”), karenanya kita perlu mengetahui hubungan antara satuan kalor dengan satuan energi. Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh om Jimi dan percobaan2 sejenis lainnya, diketahui bahwa usaha alias kerja sebesar 4,186 Joule setara dengan 1 kalori kalor.

1 kalori = 4,186 Joule

1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

1 Btu = 778 ft.lb = 252 kalori = 1055 Joule

 

(1 kalori = 4,186 Joule dan 1 kkal = 4186 dikenal dengan julukan tara kalor mekanik)

 

Catatan :

Kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule. Gunakan tara kalor mekanik di atas untuk mengoprek Joule ke kal dan kkal, atau sebaliknya kal dan kkal dioprek menjadi Joule.

 

Contoh soal 1 :

Pada bungkusan sebuah biskuit terdapat tulisan : karbohidrat = 10 kkal. Berapakah tambahan energi yang diperoleh tubuh jika biskuit tersebut dimakan ?

Panduan Jawaban :

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

10 kkal = (10)(4186 Joule) = 41.860 Joule

Catatan :

Tubuh kita tidak mengubah semua karbohidrat menjadi energi. Sebagian energi pasti terbuang selama berlangsungnya proses pencernaan….. Efisiensinya sebesar 20 %. Jadi hanya 20 % yang dipakai tubuh, 80 % energi terbuang.

 

Contoh soal 2 :

Setelah menghabiskan banyak cemilan, seorang gadis yang sangat cantik baru sadar kalau ia telah kelebihan makan 200 Kalori (huruf K besar). Si gadis ingin mengurangi kelebihan energi yang diperolehnya dari cemilan. Karenanya ia memutuskan untuk mengangkat batu dari permukaan tanah hingga ketinggian 1 meter. Jika massa batu = 10 kg, berapa kalikah si gadis harus mengangkat batu tersebut ?

Panduan Jawaban :

1 Kalori = 1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule

200 kkal = (200)(4186 Joule) = 837.200 Joule

Ketika mengangkat batu, si gadis melakukan usaha alias kerja pada batu. Besarnya usaha yang dilakukan adalah :

Usaha(W) = Gaya (F) x Perpindahan (s) = Gaya berat(w) x ketinggian (h) = massa (m) x percepatan gravitasi (g) x Ketinggian (h)

Usaha(W) = (10 kg)(10 m/s2)(1 m)

Usaha(W) = 100 N.m = 100 Joule

Untuk mengangkat batu setinggi 1 meter, besarnya usaha yang dilakukan = 100 Joule. Pertanyaannya, berapa kali si gadis harus mengangkat batu…

837.200 Joule / 100 Joule = 8372.

Hahaha….. si gadis harus mengangkat batu 8372 kali ;) sampai teler

Catatan :

Pertama, tidak semua makanan diubah menjadi energi. Selama proses pencernaan, pasti ada energi yang terbuang. Kedua, jika gadis tersebut mengangkat batu bermassa 10 kg hingga ketinggian 1 meter maka ia harus mengangkat batu tersebut sebanyak 8372 kali. Jika gadis tersebut tidak ingin mengangkat batu sebanyak 8372 kali, ia bisa menambah massa batu atau menambah ketinggian.

 

PERSAMAAN KALOR

Jika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, dengan sendirinya kalor mengalir dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang memiliki suhu rendah. Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda mencapai suhu yang sama. Kita bisa mengatakan bahwa aliran kalor menyebabkan perubahan suhu pada benda yang bersentuhan. Berdasarkan penjelasan singkat ini, bisa disimpulkan bahwa kalor (Q) memiliki keterkaitan dengan suatu benda dan perubahan suhu(delta T) yang dialami benda tersebut. Ingat ya, setiap benda pasti mempunyai massa (m) dan jenis benda juga berbeda-beda.

Pada kesempatan ini, kita mencoba menyelidiki bagaimana hubungan antara jumlah kalor (Q) dengan besarnya perubahan suhu (delta T), massa benda dan jenis benda. Untuk membantu menurunkan hubungan ini, alangkah baiknya jika kita tinjau 2 benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Misalnya kita memanaskan air menggunakan nyala api kompor.

Catatan :

Perlu diketahui bahwa gurumuda hanya membuat penalaran saja dan contoh yang gurumuda pakai juga dekat dengan kehidupanmu, karenanya mudah2an dirimu cepat paham. Kalau bingung dengan penjelasan gurumuda, dirimu bisa melakukan percobaan (di rumah atau di sekolah).

 

Hubungan antara Kalor (Q) dan Perubahan suhu (delta T)

Misalnya kita ingin memanaskan segelas air. Setelah dipanaskan, suhu air pasti bertambah (air mengalami perubahan suhu). Apabila nyala api kecil, perubahan suhu yang dialami air juga kecil. Sebaliknya jika ketika memanaskan air, nyala api lebih besar, perubahan suhu yang dialami air pasti lebih besar (air lebih cepat panas)

Untuk membantu memahami persoalan ini, coba lakukan percobaan kecil2an berikut ini. Sediakan dua gelas air, termometer dan pemanas air (gunakan pemanas yang bisa dikontrol, misalnya kompor dll). Percobaan 1 : Masukan segelas air dalam sebuah wadah dan panaskan air tersebut selama 5 menit. Gunakan termometer untuk mengukur suhu akhir (suhu air setelah dipanaskan selama 5 menit). Catat suhu air tersebut… Percobaan 2 : Kalau wadahnya masih panas, dinginkan terlebih dahulu. Buang saja air yang sudah kepanasan tadi dan ganti dengan segelas air yang masih dingin. Kali ini nyala api diperbesar 2 kali… Silahkan panaskan air tersebut selama 5 menit. Setelah itu ukur suhu akhir air… Bandingkan suhu akhir air yang diperoleh pada percobaan 2 dengan percobaan 1. Manakah yang mengalami perubahan suhu yang lebih besar ? Kalau percobaan dilakukan dengan baik dan benar, dirimu pasti setuju kalau gurumuda mengatakan bahwa perubahan suhu air dalam percobaan 2 lebih besar daripada perubahan suhu air pada percobaan 1.

Nyala api dalam percobaan mewakili jumlah kalor (Q). Pada percobaan 1, nyala api kecil (Q kecil). Sebaliknya pada percobaan 2, nyala api besar (Q besar). Apabila Q kecil, perubahan suhu juga kecil. Sebaliknya jika Q besar, perubahan suhu juga besar. Semakin besar Q, semakin besar perubahan suhu benda. Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan perubahan suhu yang dialami benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

kalor-a1Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m)

Sekarang mari kita tinjau hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m). Mula-mula kita memanaskan segelas air, setelah itu kita memanaskan 2 gelas air.Jika nyala api sama dan suhu air mula2 juga sama, manakah yang lebih cepat panas : segelas air atau 2 gelas air ? Jika dirimu pernah memanaskan air, dirimu akan setuju kalau gurumuda mengatakan segelas air akan lebih cepat panas daripada 2 gelas air. Dengan kata lain, untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air membutuhkan selang waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan 2 gelas air. Jika kita ingin agar selang waktu kenaikan suhu segelas air dan 2 gelas air sama, maka ketika memanaskan 2 gelas air, nyala api harus diperbesar 2 kali.

Besarnya nyala api mewakili jumlah kalor (Q) sedangkan segelas air dan 2 gelas air mewakili massa air tersebut. Segelas air mempunyai massa (m) yang lebih kecil, sedangkan 2 gelas air mempunyai massa (m) yang lebih besar. Untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air (m kecil) membutuhkan nyala api yang lebih kecil (Q kecil) sedangkan 2 gelas air (m besar) membutuhkan nyala api yang lebih besar (Q besar). Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa air. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa (m) dapat ditulis sebagai berikut :

kalor-b

Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan Jenis benda (m)

Untuk membantu menurunkan hubungan antara kalor (Q) dan jenis benda, lakukan percobaan berikut ini. Siapkan sepotong besi dan sepotong kayu (usahakan panjangnya harus sama). Panaskan besi dan kayu tersebut dengan nyala lilin. Walaupun nyala lilin sama, biasanya besi akan lebih cepat panas daripada kayu (malah kayu bisa kebakar ;) ). Pada dasarnya, jika jenis benda berbeda maka perubahan suhu yang dialami benda juga berbeda-beda. Hal ini disebabkan karena sifat setiap benda berbeda. Kita bisa mengatakan bahwa kalor (Q) sebanding dengan jenis benda. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan jenis benda dapat ditulis sebagai berikut :

kalor-cPersamaan 1, persamaan 2 dan persamaan 3 bisa ditulis kembali sebagai berikut :

kalor-d1

Persamaan ini menyatakan hubungan antara Kalor (Q) dengan massa benda (m), kalor jenis (c) dan perubahan suhu (delta T).

Keterangan :

kalor-e

 

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: