MEKANIKA KALOR

Kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu

Pengukuran Energi Kalor

Energi Dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan energi potensial yang ada di dalam sistem Oleh karena itu energi dalam bisa dirumuskan dengan persamaan

Karena besar Ek dan Ep pada sebuah sistem tidak dapat diukur, maka besar U sebuah sistem juga tidak dapat ditentukan, yang dapat ditentukan adalah besar perubahan energi dalam nya (ΔU) suatu sistem

Perubahan energi dalam dapat diketahui dengan mengukur kalor (Q) dan kerja (w), yang akan timbul bila suatu sistem bereaksi. Oleh karena itu, perubahan energi dalam dirumuskan dengan persamaan

U = Ek + Ep

ΔU = ΔQ + ΔW

Temperatur/Suhu

Suhu menunjukkan derajat panas benda, secara mikroskopis suhu menyatakan besarnya energi dalam yang dimiliki benda tersebut Alat untuk mengukur suhu disebut termometer, dengan skala ukur sebagai rasio dari titik beku air murni terhadap titik didihnya.Satuan (yang banyak digunakan) antara lain : [celsius] ; [fahrenheit] ; dan [kelvin]

KALOR JENIS ZAT

Definisi: Kalor jenis suatu zat adalah banyaknya kalor yang diperlukan atau dilepas tiap satu kilogram massa, untuk menaikkan atau menurunkan suhu sebesar satu derajat

c = Q / (m. ∆T) Sehingga

Q = m . c . ∆T

KeteranganQ = kalor yang diserap /dilepas dalam SI [joule] m = massa zat dalam SI [kg]∆T = perubahan suhu dalam SI[kelvin] atau [K] c = kalor jenis zat dalam SI [joule/kg K]

Kesetaraan Kalor - Mekanik

Dari konsep energi mekanik diperoleh bahwa bila gesekan terjadi pada sistem mekanis, ada energi mekanis yang hilang, berubah menjadi energi termal. Nilai kesetaraan energi mekanis – kalor adalah:

1 [ kalori] = 4,186 [joule]

ASAS BLACKMenurut asas Black apabila ada dua benda yang suhunya

berbeda kemudian disatukan atau dicampur maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran ini akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Secara matematis dapat dirumuskan :

Q lepas = Q terimaYang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi

dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh :

Q lepas = Q terimam1.c1.(T1 – Ta) = m2.c2.(Ta – T2)

Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asas Black adalah “pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (T1 – Ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (Ta-T2).”

rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan.

Kapasitas Kalor

Definisi : Kapasitas kalor suatu benda adalah kemampuan suatu benda dalam menerima atau melepas kalor untuk menaikkan atau menurunkan suhu benda itu sebesar 1[°C] atau 1 [K]

H = Q/ ∆T, untuk Q = m.c. ∆T maka H = m.c untuk benda

yang mengalami perubahan wujud nilai c = L (kalor laten zat),sehingga

H = m.L

DIAGRAM FASA PADA KALOR LATEN MATERI

Perubahan Wujud Zat

Hubungan antara Energi Kalor dengan Energi Listrik

Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan sebaliknya , secara matematis dapat

dirumuskan W = QUntuk W = P. Δt Dan Q = m.c.ΔT Maka P . Δt = m.c. ΔT Atau V.I. Δt = m.c. ΔT dimana V = tegangan listrik dalam SI [ volt] I = arus listrik dalam SI [ampere] Δt = selang waktu dalam SI [sekon] m = massa benda dalam SI [kilogram] c = panas jenis spesific dalam SI [ J.kg-1.K-1] ΔT = perubahan suhu dalam SI [oK]

CONTOH SOAL

Sepotong tembaga massanya 5 [kg] dengan suhu 20 [°C] . Jika kalor jenis spotong tembaga 3,85 x 102 [J/kg K], berapa kalor yang diperlukan unutk memanaskan agar suhu tembaga tersebut menjadi 100 [°C] ?Hitung pula kapasitas

kalor tersebut

Diketahui : m = 5[kg] T₁ = 20 [°C] ~ 293[K] T₂ = 100 [°C] ~ 373 [K] c = 3,85 x 102[J/kg K]Ditanyakan : Q = .....? H = ......? ; L = cJawab : Q = m.c. ∆T = 5 . 3,85 .102 . 80

= 154000 [J]

H = m.L = 5. 3,85 . 102

= 1925 [J/K]

Sebuah termos berisi 2 [kg] air pada suhu 20 [0C]. ke dalamnya dimasukkan 1 [kg] besi yang bersuhu 80[0C]. berapa suhu akhir setelah keadaannya setimbang jika kalor jenis air 4,18 x 103

[J/kg K] dan kalor jenis besi 4,5 x 102

[J/kg K] ?

Diketahui m1 = 2 [kg]

T1 = 20 [oC]

T2 = 80 [0C]

c air = 4180 [J/kg K]

m2 =1 [kg]

Cbesi = 4,5 x 102 [/kg K]

Ditanyakan :Ta = …….?

Jawab Air dingin menyerap kalor dari air termos Q lepas = Qserap

m2 . cbesi . ΔT2 = m1 . cair . ΔT1

1 x 4,5.102 x(80-Ta) = 2 x 4,18.103 x (Ta-20)

450 (80-Ta) = 8,36 . 103 (Ta-20)

360-4,5Ta = 8,36Ta – 1672

83,6Ta + 4,5Ta = 1672 + 360

88,1 Ta = 2032

Ta =23,1 [0 C]

Soal

1. Berapa kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10 [kg] air dari 20 [oC ]sampai 80 [oC ]? kalor jenis air = 4180 [J/kg Co1]

2. Berapa tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 10 [kg] es batu menjadi air ? Jika kalor lebur es– LF es = 334 [kJ/kg]

3. Berapa lama listrik 4[kw] bisa memanaskan air 80[kg] naik dari 15[C] menjadi 35[C] jika kalor jenis air = [4200J/kg K]?

4. Sebuah kalorimeter yang kapasitas kalornya 200[J/°C] berisi 200 [gr] air yang suhunya 20[°C]. kedalam kalorimeter itu dituangkan 150[gr] air dari 100[°C]. Hitung suhu akhir campuran nya!

5. Panas sebesar 12 [kj] diberikan pada pada sepotong logam bermassa 2500 [gram] yang memiliki suhu 30[oC]. Jika kalor jenis logam adalah 0,2 [kalori/groC], tentukan suhu akhir logam!

6. Sepotong aluminium ( C = 0,21 kal/groC) dengan massa 20 gram bersuhu 90oC dijatuhkan pada balok es besar bersuhu 0oC. Berapakah es dapat dilebur oleh potongan aluminium itu?

Susunan ikatan antar atom dalam zat

2. Rambatan Kalor

Konduksi (Hantaran)konduksi adalah proses transformasi panas didalam zat perantara dimana energi panas berpindah dari molekul yang satu ke molekul yang lain hanya dengan getaran termal berkala tanpa ada pemindahan massa zat perantara sama sekali.Jumlah kalor yang mengalir persatuan waktu dapat diketahui melalui persamaan:

H = Q/Δt = k A (∆T / L)

Keterangan;Q adalah jumlah kalor yang merambatk adalah koefisien konduksi termalΔt adalah waktu berlangsungnya aliran∆T adalah perubahan suhu antara dua permukaan sejajarL adalah jarak antara permukaanA adalah luas penampang

KonveksiKonveksi adalah proses perpindahan panas dari suatu tempat ke tempat lmelalui perpindahan masssa zat cair atau gas yang dipanasi dari tempat satu ke tempat lainnya.Perpindahan kalor secara konveksi terutama terjadi pada zat cair dan gas . banyaknya kalor yang merambat tiap satuan waktu dapat diketahui persamaan:

Q / Δt = hA∆TKeterangan:

Q/ Δt adalah jumlah kalor yang berpindah tiap waktuh adalah koefisisen konveksi termalA adalah luas penampang aliran∆T adalah beda suhu pada dua tempat

RadiasiRadiasi adalah transformasi energi panas lantaran gelombang elektromagnetik tidak ada zat perantara yang memegang peranan dalam proses pemindahan zat. Besarnya Radiasi tersebut adalah :

H = R. A dengan R = e a T4

R adalah energi yang dipancarkan [watt/m2]a adalah konstanta Stefan Boltzman = 5,672.10-4 [watt/m2K4]T adalah suhu mutlak benda [K]e adalah koefisien emisivitas (0<e<1)

Contoh soal

Sebuah benda memiliki luas permukaan 1,4 [m2] dan koefisien emisivitas 0,85. Benda tersebut memiliki suhu 37 [0C] dan berada dalam ruangan yang besuhu 20[ 0C]. hitunglah jumlah kalor yang diradiasikan dalam satu menit ! Diketahui : A = 1,4 [m2]

e = 0,85 σ = 5,67 x 10-8 [W/m2K4]

Tbenda = 37 [0C] » 310 [K]

Truangan = 20[ 0C] » 293 [ K]

Ditanyakan : Q … ? jika Δt = 1 [menit]

Jawab :

R = H/A ; H = Q/Δt

Q = e o A T4 Δt Q = 0,85 . 5,67 x 10-8 . 1,4 . (3104-2934) . 60 Q = 7550,87 [J] Q = 7,55 [KJ]

3. Ekspansi KalorPemuaian Panjang

perubahan panjang akibat pemanasan sebanding dengan panjang sebelum diberi tambahan panas dan sebanding pula dengan perubahan suhu sebagai akibat pemanasan:

L = Lo (1 + T) dimana Lo : panjang mula-mula

: koefisien muai linear [1 /Co]T : perubahan temperatur [C]

Pemuaian Luas

Suatu keping empat persegi panjang (misalnya dari suatu bahan logam),pada suhu to, sisi-sisinya adalah ao. selanjutnya kita panaskan hingga suhunya menjadi T maka panjang sisi-sisinya sekarang akan menjadi a dan b.

Menurut sifat muai panjang maka : a = ao (l + (T-To) ) dan b = bo (l + (T- To))

Sehingga luasnya sekarang menjadi : A = ao bo { l + (T-To){l + (T-To)}

= Ao {l+2 (T-To) 2 + (T-To)2} A = Ao {l +2α(T-To)}

A = Ao (l + β T)

Dimana β= 2α merupakan koefisien muai luasan.

Pemuaian Volume

Suatu pararel epipedium siku-siku, yang pada suhu To misalkan panjang rusuk-rusuknya adalah ao,bo dan co, dipanaskan pada suhu T

Sehingga volumenya akan menjadi:

V = aoboco { l + (T – To)}

= Vo { l + 3 (T – To)}+3 2 (T – To)2 + 13 (T – To)3}menjadi:

V = Vo { l + 3 α(T– To)}

V = Vo {l + γ(T-To)}

Dimana γ = 3α menyatakan koefisien muai volume.

Pada suhu 30[°C], panjang batang besi adalah 100 [cm]. Koefisien muai linear besi adalah 100 [cm]. Koefisien muai linear besi adlah 10-5 [/°C]. Apabila batang tersebut di panaskan dan panjangnya menjadi 100,1[cm], berapa suhu batang sekarang?

Jawab :

Diketahui : lt = 100[cm] lo = 100,1[cm] α = 10-5 [/°C] t1 = 30[°C]

Ditanyakan : t2 = ….? [°C]

Jawab : Δl = lt – lo Δt = t2 - t1

= 100,1 – 100 100[°C] = t2 – 30[°C] = 0,1[cm] t2 = 130 [°C]

Δl = α.Lo.Δt 0,1= 10-5. 100. t t = 100[°C]

Sebuah lempeng tipis lebarnya 20 [cm] dan panjangnya 50 [cm], terbuat dari logam yang koefesien muai linearnya 1,2 x 10-5 [/°C] dengan suhu 25[°C]. Jika logam tersebut dipanaskan sampai suhu 100 [°C]. Berapa luasnya sekarang?

Diketahui : pO = 50 [cm] lo = 20 [cm] α = 1,2 x 10-5 [/°C] t1 = 25[°C] t2 = 100 [°C]

Ditanya : A = ….? [cm2]Jawab : Ao = po . Lo A = Ao(1+β. Δt) = 50 . 20 = 1000(1+ 2.1,2. 10-5. 75 = 1000 [cm2] = 1000(1+0,0018) = 1.000,18 [cm2]

Sebuah balok tembaga dengan ukuran panjang, lebar dan tinggi masing-masing 15[cm], 10 [cm], , 12[cm] bersuhu 27[°C]. Balok tersebut kemudian dipanaskan sampai suhu 47 [°C]. Jika koefisien muai panjang tembaga 17x10-6 [/°C] , berapa volume balok sekarang?

Diketahui : po = 15 [cm] lo = 10 [cm] ho = 12[cm] t1 =27 [°C] t2 = 47 [°C] α = 17x10-6 [/°C]

Ditanya : V =…? [cm3]

Jawab :

V = Vo(1+3α.Δt)

= 1800(1+3.17.10-6.20)

= 1800(1+0,00102)

= 1800(1,00102)

= 1801,84 [cm3]

TERMODINAMIKATermodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam

termodinamika kamu akan banyak membahas tentang sistem dan

lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem,

sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut

lingkungan.

Hukum Termodinamika

• Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan kerja yang dilakukan suatu sistem ke lingkungan ditambah dengan aliran kalor yang masuk dari lingkungan ke sistem.

• Hukum Termodinamika II , bahwa menurut Clausius : Kalor mengalir secara alami dari bendayang panas ke benda yang dingin,kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.

ΔU = ΔQ ΔW

USAHA LUARUsaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p . ∆V = p . (V2 – V1)Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V2 > V1. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V2 < V1 dan usaha gas bernilai negatif.

4. Proses Termodinamika

Proses IsobarikJika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik.

Proses IsotermikProses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut yang berlangsung dalam suhu konstan, dinamakan proses isotermik.

Proses IsokhorikDalam proses ini sistem mengalami

perubahan tekanan dan temperatur pada volume konstan

Proses AdiabatikDalam proses adiabatik tidak ada

kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Batas atas efisiensi dapat di tuliskan dalam temperatur mesin yang lebih tinggi dan lebih rendah.

Efisiensi Mesin Carnot

ηideal = (TH –TL)/ TH

= 1-TL/TH

Referensi Tipler PA. 1991. Physics for Scientists and Engineers. Worth Publisher,inc.

Sardjito MSc. 1996. Mekanika Fisika. P4. Bandung

Ruswanto B. 2003. Matematika untuk Fisika dan Teknik. Adicita Karya Nusa. Yogyakarta.

Bueche FJ, Hecht E. 2006. Schaum`s Outlines of Theory and Problems of College Physics. 10th ed. McGraw Hill.