꧁༺ ALBERTUS HADI T ༻꧂

Pengertian Kalor

Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah dari benda yang satu ke benda yang lain. Jika dua buah benda yang suhunya berbeda disentuhkan, suatu saat akan terjadi kesetimbangan termal (suhunya sama). Hal ini terjadi karena adanya perpindahan kalor dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.

Kalor berbeda dengan suhu, walaupun keduanya memiliki hubungan erat. Suhu adalah derajat panas atau dingin suatu benda, sedangkan kalor adalah energi yang dipindahkan dari suatu benda ke benda yang lain. Suhu dan kalor dapat dibedakan dengan jelas pada peristiwa perubahan wujud suatu zat.

Untuk mengubah es menjadi air diperlukan kalor. Pada peristiwa perubahan wujud ini, es bersuhu 0^oC berubah menjadi air bersuhu 0^oC. Jadi, tidak ada perubahan suhu pada saat es mencair, tetapi dibutuhkan kalor untuk mengubah wujud es tersebut.

Pada dasarnya, kalor adalah perpindahan energi kinetik dari satu benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah. Kalor dilambangkan dengan huruf Q.

Pada waktu zat mengalami pemanasan, partikel-partikel benda akan bergetar dan menumbuk partikel tetangga yang bersuhu rendah. Hal ini berlangsung terus menerus membentuk energi kinetik rata-rata sama antara benda panas dengan benda yang semula dingin. Pada kondisi seperti ini, terjadi keseimbangan termal dan suhu kedua benda akan sama.

Satuan Kalor

Kalian tentunya sudah mengetahui beberapa bentuk energi, misalnya energi listrik, energi mekanik, energi potensial, energi kinetik, energi kimia, dan lain-lainnya. Kalor juga merupakan salah satu bentuk energi yang dapat berpindah karena adanya perbedaan suhu. Karena kalor adalah energi, maka juga mempunyai satuan dalam SI (Sistem Internasional) satuannya adalah joule (J).

Sebelum orang mengetahui bahwa kalor adalah salah satu bentuk energi, kalor diberi satuan kalori atau kilokalori. Satu kalori didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu gram air sebesar 1^oC. Untuk konversi satuan kalor dari joule ke kalori atau sebaliknya adalah sebagai berikut.

1 kalori = 4,18 Joule

1 Joule = 0,24 kalori

Joseph Black, adalah seorang kimiawan Skotlandia yang mendukung teori tentang panas, yaitu bahwa suhu merupakan konsentrasi kalori dalam suatu benda. Ia kemudian menemukan ilmu baru yang disebut kalorimetri. Ketika menyelidiki tentang panas (kalori), ia mengira bahwa kapasitas panas merupakan jumlah panas yang dapat ditampung oleh suatu benda. Padahal, ini sebenarnya merupakan ukuran tentang jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda dalam jumlah tertentu

Rumus Hubungan Suhu dan Kalor

Untuk memahami hubungan antara suhu dan kalor, silahkan kalian perhatikan ilustrasi berikut ini. Misalkan, pada 200 mL air dan 200 mL alkohol diberikan kalor yang sama. Ternyata, kenaikan suhu pada alkohol lebih besar daripada air. Demikian halnya jika pada 200 mL air dan 500 mL air diberikan kalor yang sama banyaknya, kenaikan suhu pada 200 mL air lebih besar daripada 500 mL air. Peristiwa tersebut menunjukkan hal-hal sebagai berikut.

Kalor yang diberikan pada zat sebanding dengan kenaikan suhunya. Dapat ditulis sebagai berikut.

Q ~ ∆T

Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat sebanding dengan massa zat. Dapat ditulis sebagai berikut.

Q ~ m

Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu bergantung pada jenis zat. Dapat ditulis sebagai berikut.

Q ~ c

Dari ketiga persamaan di atas, dapat disimpulan bahwa banyaknya kalor yang diberikan pada suatu benda sebanding dengan kenaikan suhu (∆T), massa benda (m) dan kalor jenis bendanya (c). Ditulis dengan persamaan berikut.

Q = m . c . ∆T

Keterangan:

Q = jumlah kalor yang diberikan (kalori atau joule)

m = massa benda (g atau kg)

c = kalor jenis (kal/g^oC atau J/kg^oC)

∆T = perubahan suhu (^oC)

Persamaan di atas, jika kalor ditambahkan ke zat maka Q dan ∆T adalah positif dan temperatur naik. Sebaliknya jika kalor dilepas dari zat, Q dan ∆T adalah negatif dan temperatur turun. Definisi yang diberikan oleh persamaan tersebut berlaku untuk c konstan

Kalor Jenis

Dari persamaan di atas, maka dapat kita tulis persamaan kalor jenis (c) yaitu sebagai berikut.

Q

c = -------

m . ∆T

Dari persamaan , maka kalor jenis dapat didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu 1 kg zat tersebut sebesar 1 ^oC.

Tabel berikut ini menunjukkan kalor jenis beberapa zat pada suhu 20^oC dan tekanan tetap 1 atmosfer.

Tabel kalor jenis beberapa zat pada suhu 20^oC dan tekanan 1 atm

Zat Padat...........Kalor jenis(J/kg^oC)

Kuningan........................367

Aluminium......................900

Tembaga.........................390

Besi atau baja.................450

Timah.............................130

Marmer..........................860

Perak..............................230

Kayu............................1.700

Seng...............................388

Zat Cair............Kalor jenis(J/kg^oC)

Alkohol.......................2.400

Raksa.............................140

Air :

Es (-5^oC).................2.100
Cair (15^oC).............4.186
Uap (110^oC)...........2.010

Badan manusia..........3.470

Protein.......................1.700

Minyak parafin...........2.100

Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda sebesar 1^oC. Secara matematis, pernyataan tersebut ditulis sebagai berikut.

Q

...C = -----

∆T

Keterangan:

Q = kalor yang diserap/dilepas (J)

C = kapasitas kalor benda (J/^oC)

∆T = perubahan suhu benda (^oC)

Persamaan di atas adalah kapasitas kalor. Terdapat perbedaan pengertian antara kapasitas kalor (C) dan kalor jenis (c), tetapi secara matematis keduanya memiliki hubungan sebagai berikut.

C

c = -----

m

Maka:

C = m . c

Keterangan:

C = kapasitas kalor benda (J/^oC)

m = massa zat (kg)

c = kalor jenis (J/kg^oC)

Asas Black

(Hukum Kekekalan Energi untuk Kalor)

Telah kalian ketahui bahwa kalor berpindah dari satu benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Perpindahan ini mengakibatkan terbentuknya suhu akhir yang sama antara kedua benda tersebut. Pernahkah kalian membuat susu atau kopi?

Sewaktu susu diberi air panas, kalor akan menyebar ke seluruh cairan susu yang dingin, sehingga susu terasa hangat. Suhu akhir setelah percampuran antara susu dengan air panas disebut suhu termal (keseimbangan).

Kalor yang dilepaskan air panas akan sama besarnya dengan kalor yang diterima susu yang dingin. Kalor merupakan energi yang dapat berpindah, prinsip ini merupakan prinsip hukum kekekalan energi. Hukum kekekalan energi di rumuskan pertama kali oleh Joseph Black (1728 – 1899) yang berbunyi :

Jika dua benda yang mempunyai suhu berbeda di dekatkan sehingga terjadi kontak termis, maka zat yang suhunya lebih tinggi akan melepaskan kalor yang sama banyaknya dengan kalor yang diserap oleh zat yang suhunya lebih rendah sehingga suhu akhir kedua benda setelah keseimbangan termis tercapai adalah sama.
Jumlah kalor yang diterima sama dengan jumlah kalor yang diberikan

Oleh karena itu, pernyataan tersebut juga di kenal sebagai asas Black.

Joseph Black merumuskan perpindahan kalor antara dua benda yang membentuk suhu termal sebagai berikut.

Q_dilepas = Q _diterima

(m . c . ∆T)_dilepas = (m . c . ∆T)_diterima

Keterangan:

Q_dilepas= besar kalor yang diberikan (J)

Q_diterima= besar kalor yang diterima (J)

Selanjutnya, persamaan di atas dikenal sebagai asas Black.

Contoh soal dan Pembahasan

200 gram air dipanaskan dari 20^oC menjadi 45^oC. Jika diketahui kalor jenis air 1 kalg^-1oC^-1 atau 4200 Jkg^-1K^-1. Tentukan:

a. Banyaknya kalor dalam kalori

b. Banyaknya kalor dalam joule

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 200 g = 0,2 kg

T₁ = 20^oC = 293 K

T₂ = 45^oC = 318 K

c = 1 kalg^-1oC^-1 = 4200 Jkg^-1K^-1

Ditanyakan: Q dalam kalori dan joule

Jawab:

a. Menentukan jumlah kalor dalam kalori

Q = m c ∆T

Q = m c (T₂ – T₁)

Q = 200 × 1 × (45 – 20)

Q = 200 × 1 × 25

Q = 5.000 kalori

b. Menentukan jumlah kalor dalam joule

Q = m c ∆T

Q = m c (T₂ – T₁)

Q = 0,2 × 4200 × (318 – 293 )

Q = 0,2 × 4200 × 25

Q = 21.100 joule.

Catatan penting: perubahan suhu dari satuan celcius dan kelvin sama, jadi tidak perlu melakukan konversi satuan terlebih dahulu.

Berapa besar kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebatang besi yang massanya 10 kg dari 20^oC menjadi 100^oC, jika kalor jenis besi 450 J/kg^oC?

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 10 kg

T₁ = 20^oC

T₂ = 100^oC

c = 450 J/kg ^oC

Ditanyakan: Q?

Jawab:

Q = m c ∆T

Q = m c (T₂ – T₁)

Q = 10 × 450 × (100 – 20)

Q = 10 × 450 × 80

Q = 360.000 J = 360 kJ

Jadi, kalor yang dibutuhkan sebatang besi tersebut sebesar 360 kJ.

Sepotong besi yang memiliki massa 3 kg, dipanaskan dari suhu 20^oC hingga 120^oC. Jika kalor yang diserap besi sebesar 135 kJ. Tentukan kapasitas kalor besi dan kalor jenis besi.

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 3 kg

∆T = 120^oC – 20^oC = 100^oC

Q = 135 kJ = 135.000 J

Ditanyakan C dan c

Jawab:

■ Menentukan kapasitas kalor besi

Q

C = -----

∆T

135000 J

C = -----------

100 ^oC

C = 1.350 J/^oC

■ Menentukan kalor jenis besi

C

c = -----

m

..1350

c = -----

3

c = 450 J/kg^oC

Air sebanyak 0,5 kg yang bersuhu 100^oC dituangkan ke dalam bejana dari aluminium yang memiliki massa 0,5 kg. Jika suhu awal bejana sebesar 25^oC, kalor jenis aluminium 900 J/kg^oC, dan kalor jenis air 4.200 J/kg^oC, maka tentukan suhu akhir kesetimbangan yang tercapai! (anggap tidak ada kalor yang mengalir ke lingkungan).

Penyelesaian:

Diketahui:

m_bjn = 0,5 kg

m_air = 0,5 kg

T_air = 100^oC

T_bjn = 25^oC

c_air = 4.200 J/kg^oC

c_bjn = 900 J/kg^oC

Ditanyakan: T_a (suhu akhir)

Jawab:

Q_lepas = Q_terima

m_air × c_air × ∆T_air = m_bjn × c_bjn × ∆T_bjn

0,5×4200×(100–T_a) = 0,5×900×(T_a–25)

210000–2.100T_a = 450T_a–11250

450T_a+2100T_a = 210000+11250

2550T_a = 222250

T_a = 222250/2.550

T_a = 87,156^oC

Jadi, suhu akhir campuran atau suhu kesetimbangan termalnya adalah 87,156^oC.

Hitung kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 2000 gram air dari 20 °C menjadi 70 °C, jika diketahui kalor jenis air 4200 J/kg°C !

Penyelesaian:

Diketahui: m = 2000 gram = 2 kg

c = 4200 J/kg°C

∆t = 70 °C – 20 °C = 50 °C

Ditanya: Q

Jawab: Q = m c Δt

Q = 2kg x 4200 J/kg °C x 50 °C

Q = 420000 J

Jadi kalor yang diperlukan sebanyak 420 kJ.

Pengaruh Kalor Terhadap Suhu dan Wujud Zat

Setiap ada perbedaan suhu antara dua sistem, maka akan terjadi perpindahan kalor. Kalor mengalir dari sistem bersuhu tinggi ke sistem yang bersuhu lebih rendah. Apa sajakah pengaruh kalor terhadap suatu sistem atau benda?

1. Kalor dapat Mengubah Suhu Benda

Kalor merupakan salah satu bentuk energi, sehingga dapat berpindah dari satu sistem ke sistem yang lain karena adanya perbedaan suhu. Sebaliknya, setiap ada perbedaan suhu antara dua sistem maka akan terjadi perpindahan kalor. Sebagai contoh, es yang dimasukkan ke dalam gelas berisi air panas, maka es akan mencair dan air menjadi dingin. Karena ada perbedaan suhu antara es dan air maka air panas melepaskan sebagian kalornya sehingga suhunya turun dan es menerima kalor sehingga suhunya naik (mencair).

Pernahkah kalian mengamati sebuah besi yang diberi kalor, misalnya dibakar? Tentu kalian sering mengamatinya. Besi tersebut akan menjadi lebih panas. Lebih panas ini berarti suhunya naik. Contoh ini membuktikan bahwa kalor dapat mengubah suhu zat. Pengaruh ini banyak penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Contohnya memasak air, memanasi besi untuk melubangi kayu atau karet dan memanaskan benda waktu pagi pada terik matahari.

Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat ini dipengaruhi oleh massa benda m, kenaikan suhu Δt dan jenis zat. Jenis zat diukur dengan besaran yang dinamakan kalor jenis dan disimbulkan c. Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diserap zat bermassa 1 g untuk menaikkan suhu sebesar 1^oC. Hubungan besaran-besaran ini dapat dituliskan sebagai berikut.

Q = m . c . ∆T

Keterangan:

Q = kalor yang diserap benda (kal)

m = massa benda (g)

c = kalor jenis (kal/g^oC)

∆T = kenaikan suhu (^oC)

Perkalian massa dan kalor jenisnya disebut dengan kapasitas kalor yang dilambang dengan C dan dirumuskan sebagai berkut.

C = m . c

Keterangan:

C = kapasitas kalor (kal/^oC)

m = massa benda (g)

c = kalor jenis (kal/g^oC)

Kalor merupakan bentuk energi yaitu energi panas. Karena bentuk energi maka dalam sistem SI, kalor memiliki satuan joule. Kesetaraannya:

1 kal = 4,2 joule atau

1 joule = 0,24 kal

Berarti dalam sistem SI, kalor jenis dapat didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan 1 kg benda agar suhunya naik 1K.

Contoh Soal :

Batang logam bermassa 2 kg memiliki suhu 25^oC. Untuk menaikkan suhunya menjadi 75^oC dibutuhkan kalor sebesar 5 × 10⁴ kal. Jika suhunya dinaikkan menjadi 125^oC maka berapakah kalor yang dibutuhkan?

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 2 kg = 2.000 g

∆T₁ = 75^oC – 25^oC = 50^oC

→ Q₁ = 5 × 10⁴ kal

∆T₂ = 125^oC – 25^oC = 100^oC

→ Q₂ = ?

Kalor jenis benda dapat ditentukan dari keadaan pertama.

Q₁ = m c ∆T₁

5 × 10⁴ = 2.000 × c × 50

5 × 10⁴ = 100.000 × c

c = 5 × 10⁴/10⁵

c = 5 × 10^-1

c = 0,5 kal/g^oC

berarti kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu ∆T₂ sebesar:

Q₂ = m c ∆T₂

Q₂ = 2.000 × 0,5 × 100

Q₂ = 100.000

Q₂ = 10⁵ kal

Konsep kesebandingan

Kalor untuk menaikkan suhu sebanding dengan kenaikan suhunya.

Q ~ ∆T

Berarti dapat diperoleh:

Q₂∆T₂

----- = -----

Q₁∆T₁

100

Q₂= ------ × 5 × 10⁴

50

= 10⁵ kal

2. Kalor dapat Mengubah Wujud Zat

Kalor yang diberikan pada zat dapat mengubah wujud zat tersebut. Cobalah mengingat kembali pelajaran SMP, dan carilah contoh dalam kehidupan sehari-hari yang menunjukkan perubahan wujud zat karena dipengaruhi kalor.

Ada beberapa perubahan wujud, yaitu :

mencair
membeku
menguap
mengembun
menyublim
mengkristal

Jenis-Jenis Kalor

Setiap zat memiliki kecenderungan untuk berubah jika zat tersebut diberikan temperatur yang tinggi (dipanaskan) ataupun temperatur yang rendah (didinginkan). Kecenderungan untuk berubah wujud ini disebabkan oleh kalor yang dimiliki setiap zat. Suatu zat dapat berubah menjadi tiga wujud zat, di antaranya cair, padat, dan gas. Perubahan wujud zat ini diikuti dengan penyerapan dan pelepasan kalor.

Untuk merubah wujud suatu zat di butuhkan kalor laten. Kalor laten dapat didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk mengubah wujud 1 kg zat.

1. Kalor Penguapan dan Pengembunan

Kalor penguapan adalah kalor yang dibutuhkan oleh suatu zat untuk menguapkan zat tersebut. Jadi, setiap zat yang akan menguap membutuhkan kalor. Adapun kalor pengembunan adalah kalor yang dilepaskan oleh uap air yang berubah wujud menjadi air. Jadi, pada setiap pengembunan akan terjadi pelepasan kalor.

Besarnya kalor yang dibutuhkan pada saat penguapan dan kalor yang dilepaskan pada saat pengembunan adalah sama. Secara matematis, kalor penguapan dan pengembunan dapat dituliskan sebagai berikut.

Q = m . L_U

Keterangan:

Q = kalor yang dibutuhkan saat penguapan atau kalor yang dilepaskan saat pengembunan.

m = massa zat

L_U = kalor laten penguapan atau pengembunan( kalor uap atau kalor embun)

kalor uap yaitu kalor untuk mengubah dari cair menjadi gas. Kalor uap zat sama dengan kalor embun.

2. Kalor Peleburan dan Pembekuan

Pernahkah kalian mendengar atau menerima informasi tentang peristiwa mencairnya gunung-gunung es di kutub utara akibat pemanasan global? Mencair atau meleburnya es di kutub utara disebabkan oleh adanya pemanasan. Jika benda mengalami peleburan, perubahan wujud yang terjadi adalah dari wujud zat padat menjadi zat cair.

Dalam hal ini, akan terjadi penyerapan kalor pada benda. Adapun perubahan wujud zat dari cair ke padat disebut sebagai proses pembekuan. Dalam hal ini, akan terjadi proses pelepasan kalor. Besarnya kalor yang dibutuhkan pada saat peleburan dan besarnya kalor yang dilepaskan dalam proses pembekuan adalah sama.

Perumusan untuk kalor peleburan dan pembekuan sama dengan perumusan pada kalor penguapan dan pengembunan, yakni sebagai berikut.

Q = m L_B

Keterangan:

Q = kalor yang dibutuhkan saat peleburan atau kalor yang dilepaskan saat pembekuan.

m = massa zat

L_B = kalor laten peleburan atau pembekuan.(kalor lebur atau kalor beku)

kalor lebur untuk mengubah dari padat ke cair. Kalor lebur zat sama dengan kalor bekunya.

Pada gambar grafik di atas, terlihat bahwa air dapat mengalami tiga kali perubahan suhu dan dua kali perubahan wujud. Pada saat mencair (Q₂) dan menguap (Q₄) membutuhkan kalor perubahan wujud Q = mL. Sedangkan kalor Q₁, Q₃ dan Q₅ merupakan kalor perubahan suhu Q = mcΔT. Untuk lebih memahami perubahan zat karena pengaruh kalor dapat kalian cermati contoh berikut.

Contoh Soal :

Es massanya 20 gr bersuhu –5^oC dan tekanan 1 atm diberi kalor hingga menjadi air bersuhu 80^oC. Kalor jenis air 1 kal/g^oC, kalor jenis es 0,5 kal/g^oC dan kalor lebur es 80 kal/g. Berapakah kalor yang diberikan pada es tersebut?

Diketahui :

m_s= 20 gr

T₁ = –5^oC

T₂ = 80^oC

c_s = 0,5 kal/g^oC

c_a = 1 kal/g^oC

L = 80 kal/g

Ditanya : Q

Penyelesaian:

Pada tekanan 1 atm air mencair pada suhu 0^oC dan menguap pada suhu 100^oC. Berarti untuk menghitung kalornya dapat dibuatkan grafik Q-t seperti pada gambar berikut ini.

Kalor yang dibutuhkan sebesar:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃

Q = m_sc_sΔT_s + mL + m_ac_aΔT_a

Q = (10×0,5×5) + (20×80) + (20×1×80^o)

Q = 50 + 1600 + 1600

Q = 3250 kal

Keterangan:

m_s= massa es

c_s = kalor jenis es

ΔT_s = perubahan suhu es

m_a= massa air

c_a = kalor jenis air

ΔT_a = perubahan suhu air

2. Berapakah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan es sebanyak 500 gram pada temperatur 0^oC menjadi cair seluruhnya yang memiliki temperatur 10^oC? Diketahui kalor laten peleburan es menjadi air sebesar 80 kal/g.

Jawab

Diketahui:

L = 80 kal/g, dan m = 500 gram.

Q = m L

Q= 500 gram × 80 kal/g

Q= 40.000 kal Q = 40 kkal

Jadi, besarnya kalor yang dibutuhkan untuk meleburkan es menjadi cair seluruhnya adalah sebesar 40 kkal.

3. Di atas piring terdapat 100 g es bersuhu 0^OC. Kalor lebur es diketahui sebesar 80 kal/g. Jika pada es tersebut diberikan kalor sebesar 6000 kal maka berapa persenkah es yang sudah melebur?

Penyelesaian:

m₀ = 100 g

L = 80 kal/g

Q = 6000 kal

Massa es yang melebur dapat ditentukan sebagai berikut.

Q = mL

6000 = m × 80

m = 6000/80

m = 75 g

Massa es yang melebur adalah 75 g berarti prosentasenya sebesar:

m.............75

----- = ----- × 100% = 75%

m₀_{................}100