KALOR ATAU PANAS ~ MATERI DAN SOAL IPA UNTUK SMA

Dinding termos dibuat sedemikian rupa agar panas tidak mudah keluar. Memasak air dengan wadah panci alumunium lebih cepat mendidih dibandingkan dengan wadah periuk tanah liat.
Sampai akhir abad ke-18, kalor dianggap sebagai yang mengaliri zat yang mengalir dan disebut kalorik. Sejak awal abad 19, kalor mulai dianggap sebagai energi. Hal ini dibuktikan dengan berbagaimacam eksperimen. Salah satu eksperimen yang dikenal adalah eksperimen yang dilakukan oleh James Prescott Joule.

Skema Alat Uji Eksperimen Joule

Kalor didefinisikan sebagai energi yang berpindah karena perbedaan suhu. Jadi energi harus dalam keadaan berpindah. Oleh karena itu tidak pernah dikatakan kalor yang dimiliki oleh sebuah benda, tetapi kalor yang diterima atau dilepas oleh sebuah benda. Benda yang menerima kalor suhunya akan naik sedangkan benda yang melepas kalor suhunya akan turun.
Apakah benda yang dipanaskan suhunya akan selalu naik ?
Kita akan membuktikan dengan berbagai eksperimen.

Coba amati, apa yang terjadi ketika batang tembaga dipanaskan. Selama masih berwujud tembaga (padat), suhu tembaga akan naik dan tembaga akan mengalami pemuaian. Jika terus menerus dipanaskan hingga mencapai suhu 327 ^o C tembaga akan mengalami perubahan wujud menjadi cair. Selama mengalami perubahan wujud, suhu akan tetap. Kalor yang diserap dugunakan untuk melakukan perubahan wujud. Jika terus dipanaskan, cairan tembaga akan mengalami kenaikan suhu dan pemuaian. Ketika suhu mencapai 1759 ^oC tembaga akan mengalami perubahan wujud menjadi gas tembaga. Selama terjadi perubahan wujud, suhu tidak berubah, jika dipanaskan , maka suhu gas akan naik dan volume akan bertambah.

Demikian juga pada air. Mulai dari fase padat berupa es, jika dipanaskan maka akan mencair pada suhu 0 ^oC. Selama proses perubahan dari fase padat ke cair, tidak mengalami kenaikan suhu. Jika terus dipanaskan maka air akan mendidih pada suhu 100^oC, air akan mengalami penguapan menjadi gas. Jika digambarkan dengan grafik sebagaiberikut :

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 ^oC kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 ^oC maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)
Untuk mengetahui pengaruh banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda perlu dilakukan eksperimen sebagai berikut :

Penentuan Kalor Jenis Air

Tujuan : menentukan tara kalor listrik

Alat dan bahan : Kalorimeter, air, saklar, thermometer, sumber tegangan, stopwatch,pemanas dan kawat penghubung.

Langkah kerja :

Rangkai alat-alat seperti gambar berikut :

Percobaan I
isi kalorimeter listrik dengan air sebanyak 1/3 volume kalori meter, tutup saklar dan hidupkan stopwatch, kemudian catat kenaikan selama 5 menit pertama, catat kenaikan suhu untuk 5 menit kedua dan seterusnya sampat mendapatkan data sebanyak 5 kali.
Percobaan II
isi kalorimeter dengan air sebanyak 1/4 bagian, tutup dengan saklar dan nyalakan stopwatch; catat waktu yang diperlukan untuk menaaikkan suhu air sebesar 5 C; ulangi langkah tersebut dengan 1/2 bagian air pada wadah.

Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor :
-perubahan suhu, kenaikan suhu untuk selang waktu yang sama adalah sama, hal ini dikarenakan energy listrik sebanding dengan waktu dan suhu sebanding dengan waktu. Jadi energy yang diserap sebanding dengan kenaikan suhu.

Q ~ ΔT

-massa zat, dalam percobaan ini energy yang di serap sebanding dengan massa air

Q ~ m

-jenis zat (kalor jenis)

Contoh soal :

Untuk menaikkan suhu sebuah benda dari 10 ^oC menjadi 15^oC diperlukan kalor sbesar 10000J. Berapa kalor yang deperlukan untuk menaikkan suhu benda tersebut menjadi 20^oC. Jika massa benda di kurangi setengahnya maka berapa kalor yang diperlukan ?

Jawab :

a. Q ~ ΔT

ΔT1 = 15 – 10 = 5

ΔT2 = 20 – 10 = 10

Q1 : Q2 = ΔT1 : ΔT2

10000 : Q2 = 5 : 10

Q2 = 20000J

b. Q ~ m atau

Q1 : Q2 = m1 : m2

20000 : Q2 = m1 : (1/2) m1 = 2 : 1

Q2 = 10000 J

Kalor yang diperlukan timbal bermassa 1 gram untuk melebur pada titik leburnya adalah 4000 Joule. Berapa massa timbal yang sejenis jika kalor sebanyak 5000 Joule diserap timbal untuk melebur pada titik leburnya

Jawab :
Q1 : Q2 = m1 : m2
5000 : 4000 = m : 1
m = 5/4 gram = 1,25 gram
Melalui kegiatan diatas telah dibuktikan bahwa banyaknya kalor (Q) yang diterima atau dilepaskan sebuah benda sebanding dengan massa (m) dan perubahan suhu (ΔT)

Q~ ΔT

Perbandingan kalor dengan massa dikalikan perubahan suhu ( mΔT) adalah tetap untuk sebuah benda, dan disebut juga kalor jenis benda tersebut

c = Q / (mΔT)

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Q =m . c . ΔT

Q = m.c.(t2 – t1)

Dimana :

Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)

m adalah massa benda (kg)

c adalah kalor jenis (J/kgC)

(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)
Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah calorimeter. kalor jenis antara zat satu dengan zat lainnya berbeda-beda.

Berikut tersaji data kalor jenis berbagai zat :

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.

C = Q/(t2-t1)

c = Q/m.(t2-t1)

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

C = m.c

Hubungan Satuan Kalori dan Joule.

Bejana diisi air. Jika beban dijatuhkan , maka air menjadi panas karena diaduk oleh bilah-bilah yang berputar akibat turunnya beban. Dalam percobaan kesetaraan kalor mekanik, Joule membandingkan energi potensial beban dengan kalor yang diterima air dalam wadah. Melalui percobaan didapatkan bah wa :

1 kal = 4, 186 kJ atau 1 kal = 4186 J