KALOR

Jika Suhu itu derajat panas dinginnya suatu benda atau lebih tepatnya jumlah energi kinetik rata-rata suatu zat maka yang namanya Kalor adalah energi yang berpindah dari suatu zat yang suhunya lebih tinggi menuju zat lain yang suhunya lebih rendah.

Misalkan saat kita mencampurkan air panas dengan air dingin, maka yang terjadi air tersebut jadi hangat. Kenapa demikian? Hal tersebut dikarenakan air panas memiliki suhu lebih tinggi melepaskan kalor dan diterima oleh air yang dingin sehingga suhu campuran kedua zat tersebut adalah hangat.

Atau bayangkan contoh lain. Saat kita memegang gelas berisi teh panas, maka tangan kita akan terasa panas dikarenakan energi berpindah dari teh panas menuju gelas dan berakhir di tangan kita.

Lalu berapa besar nilai kalor yang tangan kita terima? Untuk menghitung besarnya diberlakukan rumus Kalor sebagai berikut:

Keterangan:

Q = kalor (kalori) atau (Joule)

m = massa (gram) atau (kg)

c = kalor jenis (kal/gr c) atau (J/kg K)

DT = perubahan suhu (celcius) atau (kelvin)

Perlu diperhatikan bahwa, untuk kalori berpasangan dengan celcius dan gram, sedangkan untuk joule berpasangan dengan kg dan kelvin.

1 kalori = 4,2 Joule dan 1 joule= 0,24 kalori. Untuk merubah suhu dalam celcius ke kelvin menggunakan persamaan K = Celcius + 273 (Kelvin adalah satuan internasional dari suhu).

Kalor jenis setiap benda berbeda-beda. Yang sangat sering dipergunakan dalam soal dan dijadikan patokan adalah air. kalor jenis air bernilai 1 kal/gr.c atau 4180 J/KgK sering dibulatkan menjadi 4200 J/kgK. selain tiu ada juga es yang memiliki kalor jenis setengah dari air yakni 0,5 kal/gr.c atau 2100 J/kgK.

Persamaan diatas bisa dirubah menjadi berikut:


Dengan C adalah kapasitas kalor yang nilainya sama dengan massa dikalikan kalor jenis benda. atau secara empiris:

C = m.c

Keterangan:

C = kapasitas kalor (kalori/c) atau (J/K)

Kapasitas kalor merupakan kemampuan sebuah zat untuk menyimpan panas ataau energi.

Perubahan Wujud Zat dan Grafik Perubahannya

Seperti yang kita kehatui zat terbagi menjadi 3 (tiga) yakni padat, cair dan gas. Adapun diagram perubahannya sebagai berikut:

Berdasarkan grafik diatas terdapat proses perubahan wujud zat yang disebut membeku dan melebur. Untuk membeku dan melebur terdapat kalor yang dibutuhkan yang disebut kalor laten lebur atau beku sebesar:

 QL = m L

Begitupula dengan proses perubahan wujud zat berupa menguap dan mengembun, membutuhkan kalor untuk menguap sebesar:

Qu = m U

Keterangan:

L = kalor laten lebur ( 80 kal/gr)

U = kalor laten uapGrafik Perubahan Wujud Zat Misalkan sebongkah es dengan suhu -10 derajat celcuis dipanaskan hingga berubah menjadi gas, akan melalui tahapan-tahapan sesuai dengan grafik berikut:

Masing-masing dari setiap proses perubahan suhu maka akan memiliki kalor yang berbeda, seperti terlihat pada gambar. untuk menghitung total hanya perlu menjumlahkan kalor setiap proses.

Contoh Soal

1) Ayah hendak membuat secangkir kopi. Untuk itu ayah memanaskan air sebanyak 250 gram yang bersuhu 20^oC hingga mendidih.

Jika kalor jenis air adalah 4200 J/kg^oC, maka banyak kalor yang diperlukan untuk mendidihkan air adalah....

A. 20.000 J
B. 84.000 J
C. 200.000 J
D. 84.000.000 J

Pembahasan

Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu bahan adalah
Q = m x c x Δ T
dimana
m = massa bahan (kg)
c = kalor jenis bahan {J/kg °C)
Δ T = pertambahan suhu (°)
Q = kalor yang diperlukan (J)
Data dari soal
m = 250 gram = 0,25 kg
c = 4200 J/kg^oC
Δ T = 100 - 20 = 80^oC
sehingga
Q = 0,25 x 4200 x 80 = 84000 joule

2) Berdasarkan grafik, banyaknya kalor yang dibutuhkan oleh 5 kg air dalam proses dari C ke D (kalor jenis air = 4.200 J/kg^oC) adalah.....


A. 210.000 J
B. 420.000 J
C. 21.000.000 J
D. 42.000.000 J
Soal UN Fisika SMP 2009 P12 No. 5

Pembahasan

Seperti nomor 2, namun kalor jenis yang digunakan adalah kalor jenis air.
Q = m x c x Δ T
Q = 5 x 4200 x 10 = 210000 joule 

3) Sebongkah es bermassa 2 kg dipanaskan dari suhu -5 C sampai menjadi air seluruhnya pada suhu 20 C. Jika kalor jenis es 2.100 J/kg^oC dan kalor lebur es 2.270 kJ/ kg. Hitunglah jumlah kalor yang diperlukan untuk proses tersebut !

Penyelesaian :

Diketahui :
massa es = massa air = m = 2 kg
suhu awal es = Ta = - 5 C
suhu akhir air = Td = 20 C
kalor jenis es = C (es) = 2100 J/kg C
kalor jenis air = C (air) = 4200 J/kg C (diharapkan untuk diketahui tanpa harus dicantumkan di dalam soal)
kalor lebur es = L (es) = 2270 kJ/C = 2270000 J/C

Ditanyakan :
kalor yang diperlukan selama pemanasan = Q = ...?

Jawab :

      proses yang berlangsung dalam pemanasan ini kalau dicermati terdapat 3 proses, yakni 1) pemanasan es dari suhu -5C sampai titik leburnya 0C (A-B), 2) peleburan es menjadi air (B-C), 3) pemanasan air dari suhu 0C sampai suhu 20C. (C-D). Jika digambarkan dalam bentuk grafik sebagai berikut :

     Perhatikan untuk garis grafik miring (AB & CD) terjadi perubahan suhu, maka 
   Q = m x c x dT, sedangkan garis grafik lurus mendatar (BC) tidak terjadi perubahan suhu tetapi terjadi perubahan wujud, maka Q = m x L

Q(AB) = m x C(es) x dT(AB)

Q(AB) = 2 kg x 2100 J/kgC x (0 - (-5))

Q(AB) = (2 x 2100 x 5) J

Q(AB) = 21000 J

Q(BC) = m x L(es)

Q(BC) = (2kg x 22700000) J

Q(BC) = 45400000 J

Q(CD) = m x c x dT(CD)

Q(CD) = 2kg x 4200 J/kgC x (20 - 0)

Q(CD) = (2 x 4200 x 20) J

Q(CD) = 168000 J

Q = Q (AB) + Q (BC) + Q (CD)

Q = 21 000 J + 45 400 000 J + 168 000 J

Q = 45 589 000 J

Jadi kaor yang diperlukan selama pemanasan adalah 45 589 000 J atau 45 589 kJ

Catatan : pada soal kalor seringkali ditanyakan hanya untuk 1 proses (AB, BC, CD) saja, atau 2 proses (A - C atau B - D)


Latihan Soal

1. Berapakah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan es sebanyak 500 gram pada temperatur 00C menjadi cair seluruhnya yang memiliki temperatur 100C ? Diketahui kalor laten peleburan es menjadi air sebesar 80 kal/g.
2. Untuk meleburkan es sebesar 100 kg dibutuhkan kalor sebesar 5000 J. Berapakah kalor lebur es tersebut ? 
3. Berapakah kalor yang dibutuhkan air sebesar 50 kg untuk menguap. Jika kalor uapnya sebesar 1500 J/kg.
4. Berapa besar kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebatang besi yang massanya 10 kg dari 20° C menjadi 100° C, jika kalor jenis besi 450 J/kg? Berapa banyak kalor yang diperlukan untuk mengubah 2 gram es pada suhu 0° C menjadi uap air pada suhu 100° C? (cair = 4.200 J/kg °C, L = 336 J/g, dan U = 2.260 J/g)
5. Sepotong besi yang memiliki massa 3 kg, dipanaskan dari suhu 20° C hingga 120° C. Jika kalor yang diserap besi sebesar 135 kJ. Tentukan kapasitas kalor besi dan kalor jenis besi?
6. Air sebanyak 0,5 kg yang bersuhu 100° C di tuangkan ke dalam bejana dari aluminium yang memiliki massa 0,5 kg. Jika suhu awal bejana sebesar 25° C, kalor jenis aluminium 900 J/kg °C, dan kalor jenis air 4.200 J/kg °C, maka tentukan suhu kesetimbangan yang tercapai! (anggap tidak ada kalor yang mengalir ke lingkungan)
7. Diketahui suhu permukaan bagian dalam dan luar sebuah kaca jendela yang memiliki Panjang 2 m dan lebar 1,5 m berturut turut 27° C dan 26° C. Jika tebal kaca tersebut 3,2 mm dan konduktivitas termal kaca sebesar 0,8 W/m °C, maka tentukan laju aliran kalor yang lewat jendela tersebut!
8. Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,01 kal/ms°C memiliki luas penampang aliran 20 cm2. Jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu 100°C ke dinding lainnya yang bersuhu 20°C, kedua dinding sejajar. Berapakah besarnya kalor yang dirambatkan?
9. Sebuah plat tipis memiliki total luas permukaan 0,02 m2. Plat tersebut di panaskan dengan sebuah tungku hingga suhunya mencapai 1.000 K. Jika emisitas plat 0,6, maka tentukan laju radiasi yang dipancarkan plat tersebut!
10. Berdasarkan grafik di bawah ini
     
    Banyaknya kalor yang dibutuhkan 3 kg es dalam proses A - B - C adalah ... (kalor jenis es = 2100 J/kg C, kalo lebus es = 336 000 J / kg)