PERUBAHAN WUJUD DAN ASAS BLACK ~ MATERI DAN SOAL IPA UNTUK SMA

Setiap benda memiliki wujud (fase) padat, cair atau gas. Yang menentukan wujud suatu zat adalah suhu dan tekanan zat tersebut .
Misalkan air pada tekanan 1 atmosfer berwujud :
Padat (es) Pada suhu dibawah 0^oC

Cair (air) pada suhu diantara 0oC – 100 ^oC

Gas (uap air) pada suhu diatas 100 ^oC
Pada tekanan di bawah atmosfer, air bias mendidih pada suhu di bawah 100 ^oC. Oleh karena itu kalau kita memanaskan air di daerah pegunungan air bias mendidih pada suhu 80 ^oC, sehingga jika kita membuat kopi bias segera diminum.

Raksa termasuk logam berujud gas pada suhu kamar dan tekanan 1 atm. Besi akan berwujud cair pada suhu 1535^oC dapa tekanan 1 atm.

Suhu benda saat terjadinya perubahan wujud disebut :
- titik beku ketika zat sedang membeku
- titik lebur/titik leleh ketika zat sedag melebur/mencair
- titik didih ketika zat sedang menguap
- titik embun ketika zat sedang mengembun
Besarnya titik beku = titik lebur Misalnya titik beku air (dari air menjadi es) adalah 0^oC, titik lebur air (dari es menjasi air) adalah 0^oC. Besarnya titk didih air (dari air menjadi uap) adalah 100^oC, titik embun air (dari uap menjadi air) adalah 100^oC.
Zat dapat berubah wujud jika diberikan panas atau melepaskan panas.

Ada 6 macam perubahan wujud zat yaitu:

- Membeku yaitu perubahan wujud zat dari cair ke padat cantohnya : air menjadi es

- Mencair atau melebur yaitu perubahan wujud zat dari padat ke cair. Contoh: es menjadi air, mentega yag meleleh

- Menyublim yaitu perubahan wujud zat dari padat ke gas contohnya penguapan kapur barus

- Deposisi yaitu perubahan wujud zat dari gas ke padat, contohnya jelaga yang merupakan hasil pembakaran pada lampu minyak.

- Menguap yaitu perubahan wujud zat dari cair ke gas, contohnya: air yang mendidih akan menguap menjadi asap

- Mengembun yaitu perubahan wujud zat dari gas ke cair, contohnya embun di pagi hari
Jika benda menyerap kalor selama fase benda masih sama maka suhu benda akan naik, volume bertambah d an dikatakan benda mengalami pemuaian.

Ketika terjadi perubahan wujud, zat memerlukan energi untuk memutuskan ikatan molekul. Molekul-molekul yang telah terputus ikatannya akan meninggalkan wujud semula menjadi wujud baru. Oleh kare itu, selama terjadi perubahan wujud, suhu tidak mengalami perubahan.
Kalor tidak selalu menaikkan suhu. Percobaan lebih lanjut menunjukkan bahwa besarnya kalor (Q) yang diperlukan suatu zat untuk melakukan perubahan wujud hanya tergantung pada massa zat (m).

Q ~ m

Kalor yang diperlukan persatuan massa saat terjadinnya perubahan zat disebut kalor laten (L)

Q = Lm.
Kalor yang diserap benda digunakan untuk dua kemungkinan, yaitu untuk menaikkan suhu atau untuk mengubah wujud benda. Misalnya, saat es mencair, ketika itu benda berubah wujud, tetapi suhu benda tida berubah meski ada penambahan kalor. Kalor yang diberikan ke es tidak digunakan untuk mengubah suhu es, tetapi untuk mengubah wujud benda. Kalor ini disebut kalor laten.

Kalor laten merupakan kalor yang dibutuhkan 1 kg zat untuk berubah wujud.

Kalor laten ada dua macam, yaitu kalor lebur dan kalor didih (kalur uap).

1. Kalor lebur merupakan kalor yang dibutuhkan 1 kg zat untuk melebur. Kalor yang dibutuhkan untuk melebur sejumlah zat yang massanya m dan kalor leburnya Lf dapat dirumuskan sebagai berikut.

Q = m × Lf atau Lf = Q/m

Keterangan:

Q : kalor yang diperlukan (J)

m : massa zat (kg)

Lf : kalor lebur zat (J/kg)

2. Kalor didih merupakan kalor yang dibutuhkan 1 kg zat untuk mendidih/menjadi uap. Kalor ini sama dengan kalor yang diperlukan pada zat untuk mengembun. Jadi, kalor yang dibutuhkan 1 kg air untuk menguap seluruhnya sama dengan kalor yang dibutuhkan untuk mengembun seluruhnya. Kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan sejumlah zat yang massanya m dan kalor didih atau uapnya Lv, dapat dinyatakan sebagai berikut.

Q = m Lv

Keterangan:

Q : kalor yang diperlukan (J)

m : massa zat (kg)

Lv : kalor didih/uap zat (J/kg)

Contoh Soal

Hitung jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg es bersuhu – 20 ^oC menjadi uap air 120^oC!

Kemudian nyatakan dalam grafik sebagai fungsi kalor !

Ces = 2100 J/kg ^oC, Lf = 3,33 x 10⁵ J/kg, Cair = 4200 J/kg ^oC. Lv = 22,6 x 10 ⁵ J/kg, Cuap = 2010J/kg^oC

Jawab :
Es : -20 ^oC - es :0 ^oC

Q1 = m C _es ΔT1 = 1 . 2100 . 20 = 4,2 x 10 ⁴ J

Es : 0 ^oC– air : 0 ^oC

Q2 = m. Lf = 1 . 3,33 x 10 ⁵ = 3,33 x 10 ⁵ J

Air : 0 ^oC – 100 ^oC

Q3 = m C _air . Δ T2 = 1 . 4200 . 100 = 4,2 x 10 ⁵ J

Air : 100 ^oC – uap : 100 ^o C

Q4 = m Lv = 1 . 22,6 x 10 ⁵ = 22,6 x 10⁵

Uap ; 100 ^oC – uap 120 ^oC

Q5 = M C _uap ΔT3 = 1 . 2010 . 20 = 4,02 x 10⁴J

Jumlah kalor keseluruhan = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 =3.095.200 J

ASAS BLACK

Dalam sistem yang erisolasi, seperti dalam termos atau dalam kalorimeter, berlaku hukum kekekalan energi. Jika terjadi transfer energi melalui kalor, dimana benda yang bersuhu tinggi melepaskan kalor dan benda yang bersuhu rendah menyerap kalor sehingga tercapai keseimbangan termal, maka besarnya kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diserap.
Bunyi asas black sendiri adalah :

“Jumlah kalor yang dilepas oleh materi yang bersuhu lebih tinggi akan sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh materi yang suhunya lebih rendah” bisa juga disederhanakan Kalor yang dilepas akan sama dengan kalor yang diterima.

Dari bunyi asas black tersebut bisa diperoleh persamaan atau rumus asas black
Kalor Lepas = Kalor Terima

Qlepas = Qterima

dengan rumus Q = m c Δt, maka
m2 c2 Δt2 = m1 c1 Δt1
jika Δt2 dan Δt1 didapat dari skema berikut

maka rumus asas black menjadi

m2 c2 Δt2 = m1 c1 Δt1
m2 c2 (t2-ta) = m1c1 (ta-t1)

Keterangan :
m2 = masa materi yang suhunya lebih tinggi
c2 = kalor jenis materi yang suhunya lebih tinggi
m1 = masa materi yang suhunya lebih rendah
c1 = kalor jenis materi yang suhunya lebih rendah
T2 = suhu yang lebih tinggi
T1 = suhu yang lebih rendah
Ta = suhu akhir / suhu campuran

Contoh Soal Asas Black

Kita pakai contoh soal yang sangat sederhana, perhatikan gambar di bawah jika volume air di gelas B adalah setengah dari volume di gelas A, maka berapa suhu campurannya di gelas C?

Jawab :

Q lepas = Q terima

m2 c2 (t2-ta) = m1c1 (ta-t1)
m = volume x masa jenis = V.ρ
Vb.ρ c2(t2-ta) = Va.ρ c2(ta-t1)
Vb. (t2-ta) = Va. (ta-t1)
1/2 Va.(t2-ta) = Va. (ta-t1)
1/2 (40-ta) = (ta-25)
40-ta = 2ta-50
40+50 = 2ta+ta
90 = 3 ta
ta = 30 ^oC

Contoh Soal:
Bejana alumunium yang memiliki kapasitas 70 kal/g berisi air bersuhu 25 ^oC sebanyak 100 g. Suatu logam bersuhu 100 ^o C dan massa 150 dimasukkan ke dalam air tersebut. Stelah kesetimbangan termal, ternyata suhu campuran adalah 32 ^oC. Berapa besar kalor logam itu ?

Jawab :

Menurut asas Black

Qlepas = Q terima

Q1 = Q2 + Q3