Kekekalan Energi (Kalor)

Ketika benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, kalor akan mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Ingat ya, kalor adalah energi yang berpindah. Apabila benda-benda yang bersentuhan berada dalam sistem yang tertutup, maka energi akan berpindah seluruhnya dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Sebaliknya apabila benda yang bersentuhan tidak berada dalam sistem tertutup, maka tidak semua energi dari benda bersuhu tinggi berpindah menuju benda yang bersuhu rendah.

Gurumuda pakai contoh saja… Misalnya kita mencampur air panas (suhu tinggi) dengan air dingin (suhu rendah). Apabila air panas dan air dingin dicampur dalam sebuah wadah terbuka (misalnya ember), maka tidak semua energi air panas berpindah menuju air dingin. Demikian juga air dingin tidak menerima semua energi yang disumbangkan oleh air panas. Sebagian energi air panas pasti berpindah ke udara. Jika kita ingin agar semua energi air panas dipindahkan ke air dingin maka kita harus mencampur air panas dan air dingin dalam sistem tertutup. Sistem tertutup yang dimaksudkan di sini adalah suatu sistem yang tidak memungkinkan adanya pertukaran energi dengan lingkungan. Contoh sistem tertutup adalah termos air panas. Dinding bagian dalam dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas. Temannya isolator tuh konduktor. Konduktor = bahan yang menghantarkan panas). Ssttt… dalam kenyataannya memang banyak sistem tertutup buatan yang tidak sangat ideal. Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya juga sangat kecil.

Lanjut ya… Apabila benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan dan benda-benda tersebut berada dalam sistem tertutup, maka ketika mencapai suhu yang sama, energi yang diterima oleh benda yang memiliki suhu yang lebih rendah = energi yang dilepaskan oleh benda yang bersuhu tinggi. Karena energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu = kalor, maka kita bisa mengatakan bahwa dalam sistem tertutup, kalor yang dilepaskan = kalor yang diterima. secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

Q lepas = Q terima

Q yang hilang = Q yang dicuri ;)

Q yang dibuang = Q yang dipungut ;)

Ini adalah kekekalan energi kalor. Prinsip pertukaran energi dengan cara demikian merupakan dasar dari kalorimetri (kalorimetri = teknik alias prosedur pengukuran kuantitatif suatu pertukaran kalor). Alat ukurnya dikenal dengan julukan si kalorimeter. Pernah lihat kalorimeter-kah ? mudah2an di sekolahmu ada kalorimeter air. Kalorimeter biasanya dipakai untuk menentukan kalor jenis suatu benda. Mau praktikum ? Praktikum aja di blog gurumuda ;) Tuh ada gambar kalorimeter…..

 

 

Biar paham, kita oprek beberapa contoh soal

Contoh soal 1 :

Karena kepanasan, diriku ingin menikmati teh hangat. Setelah mencuri sepotong es batu bermassa 0,2 kg dari warung di sebelah kos, es batu tersebut dicampur dengan teh hangat yang sedang menanti sentuhan es batu dalam sebuah gelas. Massa teh hangat = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 oC, sedangkan suhu si teh hangat = 40 oC. Setelah bersenggolan dan bersentuhan selama beberapa saat, es batu dan air hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera… Pertanyaannya, berapakah suhu es teh ? Kalau bingun, tanya saja ke warung terdekat… pasti diomelin ;) anggap saja es batu dan teh hangat dicampur dalam sistem tertutup.

Panduan jawaban :

Ssttt… pahami jalan cerita-nya ya. Jangan pake hafal. Tidak akan ada soal yang sama.

T = suhu

Massa es batu = 0,2 kg

Massa teh hangat = 0,2 kg

Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg Co

Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg Co

Kalor Lebur (LF) air = 334 x 103 J/Kg

Suhu es batu (Tes batu) = -10 oC

Suhu teh hangat (T teh hangat) = 40 oC

Suhu campuran = ?

 

Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir

Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,2 kg teh hangat, dari 40 oC sampai 0 oC

Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)

Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (40 oC – 0 oC)

Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (40 oC)

Q lepas = 33.440 Joule = 33,44 kJ

 

Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 oC sampai 0 oC

Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)( T titik lebur air – T awal)

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (0 oC – (-10 oC))

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (10 oC)

Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ

 

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)

Q lebur = mLF

Q lebur = (0,2 kg) (334 x 103 J/Kg)

Q lebur = 66,8 x 103 Joule = 66,8 kJ

 

Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :

Q lepas = 33,44 kJ

Q terima = 4,2 kJ

Q lebur = 66,8 kJ

 

Ketika teh hangat melepaskan kalor sebanyak 33,44 kJ, suhu teh hangat berubah dari 40 oC menjadi 0 oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC. hitung2an dulu ya… 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Kalor yang tersisa = 29,24 kJ.

Nah, untuk meleburkan semua es batu menjadi air diperlukan kalor sebesar 66,8 kJ. Kalor yang tersisa hanya 29,24 kJ.

Kesimpulannya, kalor yang disumbangkan oleh teh hangat hanya digunakan untuk menaikan suhu es dari -10 oC sampai 0 oC dan meleburkan sebagian es batu. Sebagian es batu telah berubah menjadi air, sedangkan sebagiannya belum. Ingat ya, selama proses peleburan, suhu tidak berubah. Karenanya suhu akhir campuran es = 0 oC.

Catatan :

Dalam kehidupan sehar-hari, semua es batu akan mencair karena udara juga ikut2an menyumbang kalor. Untuk contoh soal di atas, kita menganggap campuran berada dalam sistem tertutup, sehingga suhu akhir akan tetap seperti itu.

 

 

Contoh soal 2 :

Massa teh panas = 0,4 kg, massa es batu = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 oC, sedangkan suhu si teh panas = 90 oC. Jika keduanya dicampur, berapakah suhu akhir campuran ? anggap saja campuran berada dalam sistem tertutup

 

Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg Co

Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg Co

Kalor Lebur (LF) air = 334 x 103 J/Kg

 

Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir

Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,4 kg teh panas, dari 90 oC sampai 0 oC

Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)

Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC – 0 oC)

Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC)

Q lepas = 150.480 Joule = 150,48 kJ

 

Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 oC sampai 0 oC

Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)(T titik lebur air – T awal)

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (0 oC – (-10 oC))

Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (10 oC)

Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ

 

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)

Q lebur = mLF

Q lebur = (0,2 kg) (334 x 103 J/Kg)

Q lebur = 66,8 x 103 Joule = 66,8 kJ

 

Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :

Q lepas = 150,48 kJ

Q terima = 4,2 kJ

Q lebur = 66,8 kJ

 

Ketika teh panas melepaskan kalor sebanyak 150,48 kJ, suhu teh panas berubah dari 90 oC menjadi 0 oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC. hitung2an lagi…. 150,48 kJ – 4,2 kJ = 146,28 kJ. Kalor yang tersisa = 146,28 kJ

Nah, kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air hanya sebesar 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. Ternyata kelebihan 79,48 kJ. Teh panas tidak perlu melepaskan semua kalor hingga suhunya berkurang menjadi 0oC. Kesimpulannya : suhu akhir campuran pasti lebih besar dari 0 oC.

Ok, tancap gas…….

 

Langkah Kedua : Menentukan suhu akhir (T)

 

Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC = 4200 Joule

Kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air alias kalor laten = 66.800 Joule

Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu air (air hasil peleburan semua es batu) dari 0 oC sampai T

= (massa es batu)(kalor jenis air)(T – 0 oC)

= (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (T)

= (836 T) J/Co

Kalor yang dilepaskan oleh te hangat untuk menurunkan suhunya dari 90 oC sampai T

= (massa air panas)(kalor jenis air)(90 oC – T)

= (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC – T)

= 1672 J/Co (90 oC – T)

= 150.480 J – (1672 T) J/Co

 

 

kalor-j

Pahami perlahan-lahan… Sering2 latihan soal biar jadi mudah

 

Referensi

Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga

Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

 

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: