Kalor dan Perpindahannya: Rumus, Asas Black, dan Contoh Soal

anaksmanda.com - Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang berperan penting dalam kehidupan sehari-hari. Ketika kalian memegang gelas berisi air hangat, memanaskan air, mencairkan es, atau menjemur pakaian, sebenarnya kalian sedang menyaksikan peristiwa yang berkaitan dengan kalor. Dalam ilmu fisika, kalor dapat menyebabkan perubahan suhu, perubahan wujud zat, dan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya.

Pengertian Kalor

Kalor adalah energi yang berpindah dari benda bersuhu lebih tinggi ke benda bersuhu lebih rendah karena adanya perbedaan suhu. Perpindahan kalor berlangsung sampai tercapai kesetimbangan termal apabila kondisi memungkinkan.

Contohnya, ketika tangan kalian memegang gelas berisi air hangat, energi berpindah dari gelas yang lebih panas ke tangan yang lebih dingin. Akibatnya, tangan terasa hangat. Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah, bukan zat yang tersimpan di dalam benda.

Satuan kalor dalam Sistem Internasional adalah joule (J). Selain joule, kalor juga sering dinyatakan dalam kalori (cal).

Dalam perhitungan fisika tingkat sekolah, konversi tersebut sering dibulatkan menjadi 1 kalori ≈ 4,2 joule.

1. Kalor dan Perubahan Suhu Zat

Pernahkah kalian mencampurkan air panas dengan air dingin untuk membuat air hangat? Ketika keduanya dicampurkan, kalor berpindah dari air panas ke air dingin. Akibatnya, suhu air panas turun dan suhu air dingin naik hingga tercapai suhu akhir campuran.

Peristiwa tersebut menunjukkan bahwa kalor dapat mengubah suhu suatu benda. Besarnya perubahan suhu dipengaruhi oleh jumlah kalor yang diterima atau dilepaskan, massa benda, dan jenis zatnya.

Hubungan antara kalor, massa, kalor jenis, dan perubahan suhu dinyatakan dengan rumus berikut.

Keterangan:

• Q = kalor yang diterima atau dilepaskan (joule).
• m = massa benda (kilogram).
• c = kalor jenis zat (J/kg°C).
• ΔT = perubahan suhu, yaitu suhu akhir dikurangi suhu awal (°C).

Jika suatu benda menerima kalor, suhunya biasanya meningkat. Sebaliknya, jika benda melepaskan kalor tanpa mengalami perubahan wujud, suhunya biasanya menurun.

Faktor yang Memengaruhi Perubahan Suhu

1. Semakin besar kalor yang diterima benda, semakin besar perubahan suhunya jika faktor lainnya tetap.
2. Semakin besar massa benda, semakin banyak kalor yang diperlukan untuk menghasilkan perubahan suhu yang sama.
3. Semakin besar kalor jenis zat, semakin banyak kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhunya dalam jumlah yang sama.

Pengertian Kalor Jenis

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu kilogram zat sebesar satu derajat Celsius atau satu kelvin. Setiap zat memiliki kalor jenis yang berbeda.

Air, misalnya, memiliki kalor jenis sekitar 4.200 J/kg°C. Artinya, diperlukan sekitar 4.200 joule kalor untuk menaikkan suhu satu kilogram air sebesar 1°C, dengan mengabaikan kehilangan kalor ke lingkungan.

Kalor jenis air yang relatif tinggi membuat air mampu menyerap atau melepaskan kalor dalam jumlah cukup besar tanpa mengalami perubahan suhu sebesar zat tertentu lainnya.

Contoh Soal 1: Menghitung Kalor untuk Memanaskan Air

Sebanyak 500 gram air dipanaskan dari suhu 25°C menjadi 100°C. Jika kalor jenis air adalah 4.200 J/kg°C, berapakah kalor yang diperlukan?

Diketahui:

• m = 500 gram = 0,5 kg
• c = 4.200 J/kg°C
• ΔT = 100 − 25 = 75°C

Penyelesaian:

Jadi, kalor yang diperlukan untuk memanaskan air tersebut adalah 157.500 joule, dengan asumsi tidak ada kalor yang hilang ke lingkungan.

Contoh Soal 2: Menghitung Kalor Jenis Besi

Sebuah besi bermassa 2 kg dipanaskan dari suhu 14°C menjadi 30°C. Jika kalor yang diterima besi adalah 14.400 J, berapakah kalor jenis besi tersebut?

Diketahui:

• m = 2 kg
• Q = 14.400 J
• ΔT = 30 − 14 = 16°C

Penyelesaian:

Jadi, kalor jenis besi berdasarkan data soal tersebut adalah 450 J/kg°C.

Contoh Soal 3: Perubahan Suhu Es

Sebanyak 1,2 kg es bersuhu −15°C melepaskan kalor sebesar 31.500 J. Jika kalor jenis es adalah 2.100 J/kg°C dan es tetap berwujud padat, berapakah suhu akhirnya?

Diketahui:

• m = 1,2 kg
• Q = −31.500 J karena kalor dilepaskan
• c = 2.100 J/kg°C
• T awal = −15°C

Penyelesaian:

Suhu akhir:

Jadi, suhu akhir es adalah −27,5°C, dengan asumsi es tetap padat dan tidak terjadi perubahan wujud.

2. Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda sebesar 1°C atau 1 K. Berbeda dengan kalor jenis yang merupakan sifat per satuan massa, kapasitas kalor berlaku untuk keseluruhan benda.

Keterangan:

• C = kapasitas kalor (J/K atau J/°C).
• Q = kalor yang diterima atau dilepaskan (J).
• ΔT = perubahan suhu (K atau °C untuk selisih suhu).

Kapasitas kalor juga dapat dihitung menggunakan hubungan berikut.

Contoh Soal Kapasitas Kalor

Sebuah benda memerlukan kalor 60.000 J untuk menaikkan suhunya dari 10°C menjadi 30°C. Hitung kapasitas kalor benda tersebut.

Perubahan suhu benda adalah 30 − 10 = 20°C.

Jadi, kapasitas kalor benda tersebut adalah 3.000 J/°C.

James Prescott Joule

James Prescott Joule (1818–1889) adalah ilmuwan Inggris yang berkontribusi penting dalam kajian hubungan antara kalor dan energi. Eksperimen Joule membantu menunjukkan bahwa kalor merupakan salah satu bentuk perpindahan energi dan bahwa energi mekanik dapat diubah menjadi energi termal.

3. Kalor dan Perubahan Wujud Zat

Kalor tidak selalu menyebabkan perubahan suhu. Ketika suatu zat mengalami perubahan wujud, kalor yang diterima atau dilepaskan dapat digunakan untuk mengubah susunan dan interaksi partikelnya. Pada tekanan tertentu, perubahan wujud zat murni umumnya berlangsung pada suhu tetap selama proses perubahan wujud berlangsung.

Beberapa perubahan wujud zat yang perlu diketahui adalah sebagai berikut.

Perubahan Wujud	Proses	Perpindahan Kalor
Mencair atau melebur	Padat menjadi cair	Menerima kalor
Membeku	Cair menjadi padat	Melepaskan kalor
Menguap	Cair menjadi gas	Menerima kalor
Mengembun	Gas menjadi cair	Melepaskan kalor
Menyublim	Padat menjadi gas	Menerima kalor
Mengkristal atau deposisi	Gas menjadi padat	Melepaskan kalor

a. Penguapan dan Pengembunan

Penguapan adalah perubahan wujud dari cair menjadi gas yang terjadi pada permukaan zat cair. Penguapan dapat berlangsung pada berbagai suhu, tidak hanya ketika zat mencapai titik didihnya.

Ketika kalian selesai berenang, air yang menempel pada kulit akan menguap. Proses tersebut memerlukan energi. Sebagian energi diambil dari kulit sehingga kulit dapat terasa dingin. Hal serupa terjadi ketika cairan seperti alkohol menguap dari permukaan kulit.

Pengembunan merupakan kebalikan penguapan, yaitu perubahan wujud gas menjadi cair. Contohnya, uap air yang menyentuh tutup panci yang lebih dingin dapat berubah menjadi tetesan air.

Faktor yang Mempercepat Penguapan

1. Memperluas permukaan zat cair. Pakaian yang dibentangkan lebih cepat kering karena lebih banyak permukaan air bersentuhan dengan udara.
2. Menaikkan suhu. Suhu yang lebih tinggi membuat lebih banyak partikel memiliki energi yang cukup untuk meninggalkan permukaan zat cair.
3. Meningkatkan aliran udara. Tiupan angin membantu membawa uap air dari sekitar permukaan sehingga penguapan dapat berlangsung lebih cepat.
4. Menurunkan tekanan. Pada kondisi yang sesuai, penurunan tekanan di atas zat cair dapat mempermudah penguapan dan menurunkan titik didihnya.

b. Pendidihan

Pendidihan adalah proses penguapan yang berlangsung di seluruh bagian zat cair ketika tekanan uap zat cair sama dengan tekanan di sekitarnya. Berbeda dengan penguapan biasa yang terjadi di permukaan, pendidihan ditandai dengan terbentuknya gelembung uap di dalam zat cair.

Air murni mendidih pada suhu sekitar 100°C pada tekanan 1 atmosfer. Jika tekanan berubah, titik didih air juga berubah. Karena itu, air di daerah dataran tinggi dapat mendidih pada suhu yang lebih rendah daripada air di permukaan laut.

Pada saat zat murni mendidih pada tekanan tetap, kalor yang terus diberikan digunakan untuk mengubah cairan menjadi uap sehingga suhu zat tetap sampai perubahan wujud selesai.

Kalor Uap

Kalor uap atau kalor laten penguapan adalah energi yang diperlukan untuk mengubah satu kilogram zat cair menjadi gas pada titik didihnya tanpa mengubah suhu, dengan tekanan tetap.

Keterangan:

• Q = kalor (J).
• m = massa zat (kg).
• U = kalor uap (J/kg).

Kalor uap air pada titik didih normalnya sekitar 2.260.000 J/kg.

Contoh Soal Kalor Uap

Berapakah kalor yang diperlukan untuk menguapkan 3 kg air pada suhu 100°C jika kalor uap air sebesar 2.260.000 J/kg?

Jadi, kalor yang diperlukan adalah 6.780.000 joule atau 6,78 MJ.

c. Pencairan dan Pembekuan

Mencair atau melebur adalah perubahan wujud dari padat menjadi cair, sedangkan membeku adalah perubahan wujud dari cair menjadi padat. Es yang dibiarkan di ruangan akan mencair karena menerima kalor dari lingkungan. Sebaliknya, air yang didinginkan hingga titik bekunya dapat berubah menjadi es dan melepaskan kalor.

Kalor lebur adalah kalor yang diperlukan untuk mengubah satu kilogram zat padat menjadi cair pada titik leburnya. Besarnya kalor yang dilepaskan ketika zat cair membeku dengan massa yang sama disebut kalor beku. Untuk zat yang sama pada kondisi tekanan yang sama, nilai kalor lebur dan kalor bekunya sama.

Keterangan:

• Q = kalor (J).
• m = massa zat (kg).
• L = kalor lebur atau kalor beku (J/kg).

Contoh Soal 1: Meleburkan Aluminium

Berapakah kalor yang diperlukan untuk meleburkan 5 kg aluminium jika kalor leburnya 403.000 J/kg?

Jadi, kalor yang diperlukan adalah 2.015.000 joule, dengan asumsi aluminium sudah berada pada titik leburnya.

Contoh Soal 2: Meleburkan Es Bersuhu −5°C

Berapakah kalor yang diperlukan untuk mengubah 200 gram es bersuhu −5°C menjadi air bersuhu 0°C? Diketahui kalor jenis es 2.100 J/kg°C dan kalor lebur es 340.000 J/kg.

Proses berlangsung dalam dua tahap, yaitu menaikkan suhu es sampai 0°C dan kemudian meleburkannya.

Tahap 1: Memanaskan es dari −5°C menjadi 0°C.

Tahap 2: Meleburkan es pada 0°C.

Kalor total:

Jadi, kalor yang diperlukan adalah 70.100 joule.

4. Peralatan Sederhana yang Memanfaatkan Prinsip Kalor

Penyulingan Air

Penyulingan atau distilasi dapat digunakan untuk memisahkan air dari sebagian zat terlarut atau komponen lain berdasarkan perbedaan sifat penguapan dan pengembunan. Dalam alat penyulingan sederhana, air dipanaskan hingga menguap. Uap kemudian dialirkan ke kondensor yang didinginkan sehingga berubah kembali menjadi cairan dan ditampung dalam wadah.

Hasil penyulingan tidak otomatis menjamin air aman diminum dalam semua keadaan. Keamanan air tetap bergantung pada kontaminan yang ada dan kebersihan sistem penyulingan.

5. Asas Black

Ketika air panas dicampur dengan air dingin, kalor berpindah dari air yang bersuhu lebih tinggi ke air yang bersuhu lebih rendah. Jika tidak ada kalor yang keluar ke lingkungan, jumlah kalor yang dilepaskan oleh bagian yang lebih panas sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh bagian yang lebih dingin.

Prinsip ini dikenal sebagai Asas Black, yang dapat dinyatakan sebagai berikut.

Untuk dua benda yang mengalami perubahan suhu tanpa perubahan wujud, persamaannya dapat ditulis:

Persamaan tersebut berlaku jika benda pertama lebih panas daripada benda kedua dan kehilangan kalor ke lingkungan dapat diabaikan.

Contoh Soal Asas Black

Tina mencampurkan 500 gram air bersuhu 30°C dengan 250 gram air bersuhu 60°C. Jika kalor jenis air sama dan tidak ada kalor yang hilang ke lingkungan, berapakah suhu akhir campuran?

Diketahui:

• m₁ = 500 g, T₁ = 30°C.
• m₂ = 250 g, T₂ = 60°C.

Karena zat yang dicampurkan sama, kalor jenisnya saling menghilangkan dalam persamaan.

Uraikan persamaan:

Jadi, suhu akhir campuran adalah 40°C.

Joseph Black

Joseph Black (1728–1799) adalah ilmuwan Skotlandia yang memberikan kontribusi penting dalam kajian kalor. Penelitiannya membantu mengembangkan pemahaman mengenai kalor laten, yaitu kalor yang terlibat dalam perubahan wujud zat tanpa perubahan suhu selama proses tersebut berlangsung.

Contoh Soal Pemanas Listrik

Sebuah pemanas listrik berdaya 350 W digunakan untuk memanaskan air dari 30°C menjadi 80°C selama 20 menit. Jika kalor jenis air adalah 4.200 J/kg°C dan seluruh energi listrik dianggap diserap air, tentukan massa air tersebut.

Energi listrik yang digunakan adalah:

Perubahan suhu air adalah 80 − 30 = 50°C. Dengan menggunakan rumus kalor:

Jadi, massa air yang dapat dipanaskan berdasarkan asumsi soal adalah 2 kg. Dalam kondisi nyata, sebagian energi dapat hilang ke lingkungan atau diserap wadah.

6. Perpindahan Kalor

Kalor selalu berpindah secara spontan dari daerah bersuhu lebih tinggi ke daerah bersuhu lebih rendah. Berdasarkan mekanismenya, perpindahan kalor dibedakan menjadi tiga, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

a. Konduksi

Konduksi adalah perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan keseluruhan zat tersebut. Pada benda padat, energi berpindah melalui interaksi antarpartikel. Pada logam, elektron bebas juga berperan penting dalam menghantarkan energi panas.

Contohnya, ujung sendok logam akan terasa panas ketika ujung lainnya dicelupkan ke dalam air panas. Kalor merambat melalui sendok, sedangkan sendok tidak berpindah tempat secara keseluruhan.

Bahan yang mudah menghantarkan kalor disebut konduktor, misalnya tembaga, aluminium, dan besi. Bahan yang sulit menghantarkan kalor disebut isolator, misalnya kayu, plastik tertentu, dan gabus.

Panci umumnya dibuat dari logam karena mampu menghantarkan kalor dengan baik. Sebaliknya, gagang panci sering menggunakan bahan yang lebih sulit menghantarkan kalor agar lebih aman dipegang.

b. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor yang disertai perpindahan massa fluida, seperti zat cair atau gas. Ketika fluida dipanaskan, bagian yang lebih hangat dapat menjadi kurang rapat dan bergerak naik, sementara fluida yang lebih dingin bergerak menggantikannya. Aliran ini membentuk sirkulasi yang membantu memindahkan kalor.

Contoh konveksi antara lain:

• Pergerakan air ketika dipanaskan dalam panci.
• Naiknya udara hangat dan turunnya udara yang lebih dingin di dalam ruangan.
• Terjadinya sirkulasi udara yang berperan dalam pembentukan angin darat dan angin laut.

Angin darat dan angin laut terbentuk karena daratan dan lautan mengalami pemanasan serta pendinginan dengan laju berbeda. Perbedaan suhu tersebut menimbulkan perbedaan tekanan udara dan menghasilkan pergerakan udara.

c. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik. Berbeda dengan konduksi dan konveksi, radiasi tidak memerlukan medium sehingga dapat berlangsung melalui ruang hampa.

Contoh paling mudah adalah panas Matahari yang sampai ke Bumi. Energi tersebut melewati ruang antariksa yang hampir hampa sebelum mencapai atmosfer dan permukaan Bumi.

Contoh lain adalah tubuh yang terasa hangat ketika berada di dekat api unggun. Energi panas dari api sampai ke tubuh melalui radiasi, meskipun udara di antara keduanya tidak bergerak langsung menuju tubuh.

Permukaan benda juga memiliki sifat berbeda dalam menyerap dan memancarkan radiasi. Permukaan gelap dan kusam umumnya menyerap radiasi lebih baik dibandingkan permukaan terang dan mengilap dalam kondisi yang sebanding.

7. Penerapan Prinsip Perpindahan Kalor

Termos

Termos digunakan untuk menjaga suhu minuman agar tidak cepat berubah. Termos dirancang untuk mengurangi perpindahan kalor melalui konduksi, konveksi, dan radiasi.

• Ruang hampa: mengurangi perpindahan kalor melalui konduksi dan konveksi di antara dinding bagian dalam dan luar.
• Permukaan mengilap: membantu memantulkan radiasi termal sehingga perpindahan kalor melalui radiasi berkurang.
• Tutup isolator: mengurangi perpindahan kalor melalui bagian mulut termos.
• Dinding isolator: membantu memperlambat aliran kalor dari atau menuju isi termos.

Setrika Listrik

Setrika listrik mengubah energi listrik menjadi energi panas melalui elemen pemanas. Panas tersebut kemudian berpindah secara konduksi dari alas setrika ke kain sehingga serat kain menjadi lebih mudah dirapikan.

Pengatur suhu pada setrika membantu menjaga suhu kerja sesuai kebutuhan bahan pakaian. Penggunaan suhu yang terlalu tinggi dapat merusak kain, sehingga pengaturan suhu perlu disesuaikan dengan petunjuk perawatan pakaian.

Kesimpulan

Kalor adalah energi yang berpindah karena perbedaan suhu. Kalor dapat mengubah suhu benda maupun menyebabkan perubahan wujud, seperti mencair, membeku, menguap, mengembun, menyublim, dan mengkristal.

Besarnya kalor untuk mengubah suhu dapat dihitung menggunakan rumus Q = m × c × ΔT, sedangkan kalor untuk perubahan wujud dapat dihitung menggunakan Q = m × L atau Q = m × U. Pada pencampuran zat yang tidak mengalami kehilangan kalor ke lingkungan, Asas Black menyatakan bahwa kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diterima.

Perpindahan kalor berlangsung melalui tiga mekanisme utama, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Ketiga mekanisme tersebut dapat ditemukan dalam berbagai kegiatan sehari-hari, mulai dari memasak air, menggunakan setrika, hingga menjaga suhu minuman dengan termos.

Baca Juga