Kalor: Pengertian, Satuan, Jenis, Rumus, Penerapan, Contoh Soal dan Pembahasan

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

Tokoh Fisika

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 = mc∆T ……….  Pers. (1)

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 (1), 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 (1) berlaku untuk c konstan.

Kalor Jenis

Dari persamaan (1) di atas, maka dapat kita tulis persamaan kalor jenis (c) yaitu sebagai berikut.

c	=	Q	……….  Pers. (2)
		m∆T

Dari persamaan (2), 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/kgoC		Zat Cair	Kalor jenis (J/kgoC
Kuningan	367		Alkohol	2.400
Aluminium	900		Raksa	140
Tembaga	390		Air
Besi atau baja	450		Es (-5oC)	2.100
Timah	130		Cair (15oC)	4.186
Marmer	860		Uap (110oC)	2.010
Perak	230		Badan manusia	3.470
Kayu	1.700		Protein	1.700
Seng	388		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.

C	=	Q	……….  Pers. (3)
		∆T

Keterangan:

Q = kalor yang diserap/dilepas (J)

C = kapasitas kalor benda (J/^oC)

∆T = perubahan suhu benda (^oC)

Persamaan (3) adalah kapasitas kaor. Terdapat perbedaan pengertian antara kapasitas kalor (C) dan kalor jenis (c), tetapi secara matematis keduanya memiliki hubungan sebagai berikut.

Dari persamaan (2) dan persamaan (3) diperoleh:

c	=	C
		m

Maka:

C = mc ……….  Pers. (4)

Keterangan:

C = kapasitas kalor benda (J/^oC)

m = massa zat (kg)

c = kalor jenis (J/kg^oC)

Hukum Kekekalan Energi untuk Kalor (Asas Black)

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). 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.

Qlepas = Qterima	……….  Pers. (5)
(mc∆T)lepas = (mc∆T)terima

Keterangan:

Q_lepas = besar kalor yang diberikan (J)

Q_terima = besar kalor yang diterima (J)

Selanjutnya, persamaan (5) dikenal sebagai asas Black.

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.

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.

esarnya 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 = mL ……….  Pers. (6)

Keterangan:

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

m = massa zat

L = kalor laten penguapan atau pengembunan

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 = mL ……….  Pers. (7)

Keterangan:

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

m = massa zat

L = kalor laten peleburan atau pembekuan.

Contoh soal dan Pembahasan tentang Kalor

1. 200 gram air dikalorkan 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 = mc∆T

Q = mc(T₂ – T₁)

Q = 200 g × 1 kalg^-1oC^-1 × (45^oC – 20^oC)

Q = 200 g × 1 kalg^-1oC^-1 × 25^oC

Q = 5.000 kalori

b. Menentukan jumlah kalor dalam joule

Q = mc∆T

Q = mc(T₂ – T₁)

Q = 0,2 kg × 4200 Jkg^-1K^-1× (318 K – 293 K)

Q = 0,2 kg × 4200 Jkg^-1K^-1 × 25 K

Q = 21.100 joule.

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

2. 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 = mc∆T

Q = mc(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.

3. 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

C = Q/∆T

C = 135.000 J/100^oC

C = 1.350 J/^oC

■ Menentukan kalor jenis besi

c = C/m

c = 1.350/3

c = 450 J/kg^oC

4. 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 × 4.200 × (100 – T_a) = 0,5 × 900 × (T_a – 25)

210.000 – 2.100T_a = 450T_a – 11.250

450T_a + 2.100T_a = 210.000 + 11.250

2.550T_a = 222.250

T_a = 222.250/2.550

T_a = 87,156^oC

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

5. 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.

Dengan menggunakan Persamaan (7), diperoleh:

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.

Penerapan Kalor dalam Kehidupan Sehari-hari

Penerapan atau pemanfaatan kalor dalam kehidupan sehari-hari dapat kita jumpai dari peralatan rumah tangga, seperti pada termos, setrika, panci, dan alat-alat dapur lainnya. Berikut ini adalah beberapa contoh pemanfaatan kalor dan penjelasannya.

1. Penerapan kalor pada lemari pendingin (kulkas)

Penurunan suhu dalam kulkas disebabkan oleh penguapan freon yang mengalir dalam pipa yang melewati kulkas. Apabila freon menguap dalam pipa yang terletak di dalam ruang pembeku, maka freon akan menyerap kalor dari ruang pembekuan. Pompa listrik mengalirkan freon yang sudah dimampatkan melalui pipa.

Freon melepaskan kalor, terjadi pengembunan. Freon berubah wujud dari gas ke cair. Pada waktu pengembunan, sirip pipa di bagian belakang terasa panas. Freon cair dialirkan ke dalam ruang pembekuan. Freon menyerap kalor, mengakibatkan suhunya menjadi turun. Uap freon terus dialirkan dan keluar ruang pembekuan, kemudian dimampatkan lagi. Dan seterusnya secara berulang-ulang.

2. Penerapan kalor pada setrika

Seterika terbuat dari logam yang bersifat konduktor yang dapat memindahkan kalor secara konduksi ke pakaian yang sedang diseterika. Adapun, pegangan seterika terbuat dari bahan yang bersifat isolator.

3. Penerapan kalor pada panci masak

Panci masak terbuat dari bahan konduktor yang bagian luarnya mengkilap. Hal ini untuk mengurangi pancaran kalor. Adapun pegangan panci terbuat dari bahan yang bersifat isolator untuk menahan panas.

4. Penerapan kalor pada termos

Termos berfungsi untuk menyimpan zat cair yang berada di dalamnya agar tetap panas dalam jangka waktu tertentu. Termos dibuat untuk mencegah perpindahan kalor secara konduksi, konveksi, maupun radiasi. Dinding termos dibuat sedemikian rupa, untuk menghambat perpindahan kalor pada termos, yaitu dengan cara:

■ Permukaan tabung kaca bagian dalam dibuat mengkilap dengan lapisan perak yang berfungsi mencegah perpindahan kalor secara radiasi dan memantulkan radiasi kembali ke dalam termos,

■ Dinding kaca sebagai konduktor yang jelek, tidak dapat memindahkan kalor secara konduksi, dan

■ Ruang hampa di antara dua dinding kaca, untuk mencegah kalor secara konduksi dan agar konveksi dengan udara luar tidak terjadi.

5. Penerapan kalor pada solder

Untuk melekatkan komponen elektronika ke papan rangkaian kita menggunakan cairan timah dengan menyoldernya. Solder listrik akan menerima panas dari konversi energy listrik. Panas dari energy listrik ini akan diterukan ke ujung logam pada solder yang di sentuhkan ke timah yang diposisikan di kaki-kaki komponen elektronika yang akan di lekatkan.

Setelah beberapa saat, timah akan meleleh dan pada saat itu solder kita angkat. Timah akan segera mendingin dan membeku, melekatkan kaki komponen elektronika tadi ke papan rangkaian dengan kuat.

Referensi:

http://fisikazone.com/pemanfaatan-kalor-dalam-kehidupan-sehari-hari.