Uraian Materi
Kalor
Pengertian Suhu, Kalor, dan Energi Dalam
Pengertian kalor secara sederhana adalah energi yang berpindah. Definisi dari kalor itu sendiri adalah sebagai energi yang berpindah dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah ketika kedua benda bersentuhan.
Kalor timbul diakibatkan oleh perbedaan suhu, maka sampai dengan pertengahan abad ke delapan belas, istilah kalor dan suhu memiliki arti yang sama. Joseph Black pada tahun 1760 merupakan orang pertama yang menyatakan perbedaan antara suhu dan kalor. Menurutnya, suhu adalah derajat panas atau dinginnya suatu benda yang diukur oleh termometer, sedangkan kalor adalah sesuatu yang mengalir dari benda panas ke benda lebih dingin untuk menyamakan suhunya. Jadi, suhu sesungguhnya adalah ukuran energi rata-rata partikel dalam suatu benda. Sedangkan dalam istilah fisika, istilah “kalor” selalu mengacu pada energi yang berpindah dari suatu benda ke benda lain karena perbedaan suhu.
Secara sederhana, dapat dinyatakan beda antara suhu, kalor, dan energi dalam, sebagai berikut. Suhu merepresentasikan energi kinetic satu molekul zat. Energi dalam menyatakan ukuran energi seluruh molekul dalam zat. Sedangkan kalor adalah perpindahan sebagian energi dalam dari suatu zat ke zat lain karena adanya perbedaan suhu.
Perpindahan Kalor dan Teori yang Menjelaskannya
Teori Kalorik
Teori kalorik menyatakan bahwa benda bersuhu tinggi mengandung lebih banyak kalorik daripada benda bersuhu rendah. Ketika kedua benda disentuhkan, benda kaya kalorik kehilangan sebagian kaloriknya yang diberikan kepada benda miskin kalorik sampai kedua benda mencapai suhu yang sama (tercapai kesetimbangan termal).
Teori kalorik dapat menjelaskan pemuaian benda ketika dipanaskan dan proses hantaran kalor dalam sebuah calorimeter dengan memuaskan. Akan tetapi, teori kalorik tidak dapat menjelaskan mengapa kedua telapak tangan terasa hangat ketika menggesek-gesekkannya. Dalam kasus ini, kalor dihasilkan oleh usaha karena gesekan dan jelas menunjukkan bahwa kalor adalah salah satu bentuk energi.
Teori Kinetik
Teori ini merupakan penyempurnaan dari teori kalorik yang tidak bisa menjelaskan fenomena yang disebutkan diatas. Ketika benda panas menyentuh benda dingin, partikel-partikel dalam benda panas menabrak partikel-partikel dalam benda dingin. Tabrakan-tabrakan ini memindahkan energi ke partikel-partikel benda dingin. Energi termal partikel-partikel benda dingin bertambah sehingga suhunya naik. Begitu partikel-partikel dalam benda dingin menjadi lebih energetic, partikel-partikel ini mulai memindahkan energinya kembali ke partikel-partikel benda panas. Pada beberapa titik, kelajuan energi dari benda panas ke benda dingin sama dengan kelajuan pemindahan energi dari bneda dingin ke benda panas. Kedua benda dikatakan mencapai kesetimbangan termal. Pada keadaan ini, suhu benda panas akan sama dengan suhu benda dingin.
Sebelum simbang termal
Benda Panas Benda dingin
Energi dipindahkan dari benda panas ke benda dingin
Setelah seimbang termal
Ketika kesetimbangan termal tercapai, pemindahan energi diantara dua benda adalah sama.
Perpindahan Kalor dan Cara Perpindahannya
Jika benda panas disentuhkan dengan benda dingin, tak lama kemudian suhu benda panas akan turun, sedangkan suhu benda dingin akan naik. Hal ini terjadi karena benda panas memberikan kalor kepada benda dingin dan ini juga dapat disebut sebagai perpindahan kalor.
Hal diatas menyimpulkan bahwa kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah.
Ada tiga cara perpindahan kalor, yaitu: 1. Konduksi, 2. Konveksi (aliran), dan 3. Radiasi (pancaran).
Perpindahan Kalor secara Konduksi
Jika ada sebuah batang logam lalu salah satu ujungnya dipanaskan sengan nyala api sebuah lilin. Lama kelamaan ujung batang logam yang kita pegang (tidak terkena api) akan terasa hangat atau jika terlalu lama akan menjadi panas walaupun ujung batang logam tersebut tidak bersentuhan langsung dengan sumber kalor (api lilin). Pada proses perpindahan kalor dari bagian ujung yang panas ke ujung sendok yang dingin tidak terjadi perpindahan partikel-partikel dalam batang logam tersebut. Proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel dinamakan konduksi.
Gambar partikel-partikel pada ujung batang yang dipanasi bergetar lebih cepat daripada partikel-partikel pada ujung yang tidak dipanasi.
Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut :
Pemanasan pada satu ujung zat menyebabkan partikel-partikel pada ujung itu bergetar lebih cepat dan suhunya naik, atau energi kinetiknya bertambah. Partikel-partikel yang energi kinetiknya lebih besar ini memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel-partikel tetangganya melalui tumbukan sehingga partikel-partikel ini memiliki energi kinetik lebih besar. Demikian seterusnya sampai kalor mencapai ujung yang dingin (tidak dipanasi). Proses perpindahan kalor ini berlangsung lambat karena untuk memindahkan lebih banyak kalor diperlukan beda suhu yang tinggi diantara kedua ujung.
Dalam logam, kalor dipindahkan melalui elektron-elektron bebas yang terdapat dalam struktur atom logam. Elektron bebas ialah elektron yang dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Di tempat yang dipanaskan, energi elektron-elektron bertambah besar. Oleh karena elektron bebas mudah berpindah, pertambahan energy ini dengan cepat dapat diberikan ke elektron-elektron lain yang letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan cara ini kalor berpindah lebih cepat. Oleh karena itu, logam tergolong konduktor yang sangat baik.
Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dibagi atas dua golongan besar yaitu konduktor dan isolator. Konduktor ialah zat yang mudah menghantar kalor. Isolator ialah zat yang sukar menghantar kalor.
Adapun factor-faktor yang mempengaruhi laju konduksi kalor, diantaranya:
Beda suhu, makin besar suhu maka makin cepat perpindahan kalor. ∆T = T1 – T2
Ketebalan dinding permukaan benda, makin tebal dinding maka makin lambat perpindahan kalor.
Luas permukaan benda, makin besar luas permukaan maka makin cepat perpindahan kalor.
Konduktivitas termal zat merupakan ukuran kemampuan zat menghantarkan kalor.
Daya konduksi kalor dirumuskan:
Q/t=kA∆T/d
Perpindahan Kalor secara Konveksi
Jika kita meletakkan tangan kita diatas lilin kira-kira 10 cm, kita akan merasakan udara hangat yang naik dari nyala lilin. Ketika udara ynag dekat nyala lilin dipanasi, udara itu memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil. Udara hangat dengan massa jenis lebih kecil akan naik dan tempatnya digantikan oleh udara dingin yang massanya jauh lebih besar. Proses perpindahan kalor dari suatu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri dinamakan konveksi.
Ada dua jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. Contoh di atas adalah contoh konveksi alamiah. Pada konveksi alamiah, pergerakan fluida terjadi akibat perbedaan masa jenis. Bagian fliuda yang menerima kalor memuai dan masa jenisnya menjadi lebih kecil sehingga bergerak ke atas tempatnya digantikan oleh bagian fluida dingin yang jatuh ke bawah karena masa jenisnya lebih besar. Peristiwa ini mirip dengan mengapungya suatu benda karena masa jenis benda lebih kecil dari pada masa jenis zat cair.
Contoh-contoh konveksi dalam keseharian adalah sebagai berikut:
Ketika membakar sesuatu, konveksi udara secara alami saat udara panas didekat nyala api memuai dan masa jenisnya menjadi lebih kecil. Udara dingin yang masa jenisnya lebih besar yang berada disekitar api menekan udara panas ke atas, sehingga terjadilah arus konveksi udara. Arus konveksi udara inilah yang membawa asap bergerak ke atas.
Angin laut dan angin darat, yang dimanfaatkan nelayan untuk berlayar mencari ikan terjadi melalui konveksi alami udara. Pada siang hari, tanah lebih cepat menjadi panas daripada laut sehingga udara di atas daratan lebih panas daripada udara di atas laut. Oleh karena itu udara di atas daratan naik dan tempatnya digantikan oleh udara di atas laut, terjadilah angin laut. Pada malam hari, tanah lebih cepat dingin daripada laut sehingga udara di atas daratan lebih dingin daripada udara di atas laut. Oleh karena itu, udara di atas laut naik dan tempatnya digantikan oleh udara di atas daratan, terjadilah angin darat.
Contoh konveksi paksa adalah pada pengering rambut. Kipas menarik udara disekitarnya dan meniupkan udara tersebut melalui elemen pemanas. Dengan cara ini dihasilkan suatu arus konveksi paksa udara panas.
Faktor-faktor yang mempengaruhi laju kalor konveksi adalah sebagai berikut:
Laju kalor Q/t ketika sebuah benda panas memindahkan kalor ke fluida sekitarnya secara konveksi sebanding dengan luas permukaan benda A yang bersentuhan dengan fluida dan beda suhu ∆T di antara benda dan fluida. Secara matematis ditulis:
Q/t=hA∆T
Dengan h adalah koefisien konveksi dengan nilai yang bergantung pada bentuk dan kedudukan permukaan, yaitu tegak, miring, mendatar, menghadap ke bawah, atau menghadap ke atas. Nilai h diperoleh dengan percobaan.
Perpindahan Kalor secara Radiasi
Kalor dari Matahari tidak dapat melalui atmosfir secara konduksi ke bumi karena udara yang terdapat di atmosfir tergolong konduktor paling buruk. Kalor dari Matahari juga tidak dapat sampai ke Bumi melalui konveksi karena konveksi selalu diawali dengan pemanasan Bumi terlebih dahulu. Selain itu, perpindahan kalor secara konduksi atau konveksi tidak mungkin melalui ruang hampa yang terdapat diantara atmosfir Bumi dan Matahari.
Kalor dari Matahari dapat sampai ke Bumi melalui ruang hampa tanpa zat perantara (medium). Perpindahan kalor seperti ini disebut radiasi. Perpindahan kalor dapat melalui ruang hampa karena energi kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Jadi, radiasi atau pancaran adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
Penyerap Kalor Radiasi yang Baik dan Buruk
Beberapa permukaan zat menyerap kalor radiasi lebih baik daripada permukaan zat lainnya. Contohnya saja warna putih dan hitam. Warna hitam menyerap kalor lebih baik dari warna putih.
Ini dikarenakan:
Permukaan yang hitam dan kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik pula;
Permukaan yang putih dan mengkilap adalah penyerap kalor radiasi yang buruk sekaligus pemancar kalor yang buruk pula;
Jika diinginkan agar kalor yang merambat secara radiasi berkurang, permukaan harus dilapisi suatu bahan agar mengkilap.
Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Laju Kalor Radiasi
Pada tahun 1884, Ludwig Boltzmann menurunkan hubungan antara daya total yang dipancarkan oleh benda hitam sempurna dengan pangkat empat suhu mutlaknya. Persamaan yang didapat dikenal sebagai hukum Stefan-Boltzmann, yang berbunyi: energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu (Q/t) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T4).
Secara matematis ditulis:
Q/t= σAT4
Tetapan σ (sigma) dikenal sebagai tetapan Stefan-Boltzmann dan dalam satuan SI mempunyai nilai
σ = 5,67 X 10-8 W m-2 K-4
tidak semua benda dapat dianggap sebagai banda hitam sempurna. Oleh karena itu, diperlukan sedikit penambahan faktor pengali. Maka persamaan diatas menjadi:
Q/t= eσAT4
Dengan e adalah koefisien yang disebut emisivitas. Emisivitas adalah suatu ukuran seberapa besar pemancaran radiasi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna. Nilainya terletak diantara 0 sampai 1 (0≤e≤1) dan bergantung pada jenis zat dan keadaan permukaan. e = 1 untuk benda hitam sempurna sedangkan e = 0 untuk pemantul sempurna (penyerap paling jelek).
Pemanfaatan Radiasi
Pendiangan rumah
Rumah kaca dan efek rumah kaca
Ketika sinar matahari mengenai kaca sebuah rumah kaca, cahaya tampak dapat menembus kaca, sedangkan ultraviolet dan inframerah dipantulkan kembali oleh kaca. Kalor radiasi cahaya tampak diserap oleh tanah dan tanaman didalam rumah kaca sehiongga tanah dan tanaman menjadi hangat. Tanah dan tanaman yang hangat dapat kita golongkan sebagai sumber yang lebih dingin dibandingkan dengan Matahari yang suhunya sangat tinggi. Tanah dan tanaman sebagai sumber kalor yang lebih dingin akan memancarkan kembali kalor yang diterimanya dalam bentuk radiasi inframerah dengan panjang gelombang lebih panjang. Energy kalor radiasi inframerah yang dipancarkan kembali ini tidak mampu menembus kaca, sebagai hasilnya energy kalor ini terperngkap di dalam rumah kaca, dan rumah kaca menjadi hangat. Suhu di dalam rumah kaca bisa tetap tinggi dibandingkan dengan suhu diluarnya. Keadaan ini membuat tanaman dapat tumbuh dengan subur.
Untuk mempertahankan suhu di dalam rumah kaca tetap tinggi bukanlah kalor radiasi langsung dari matahari, tetapi kalor radiasi yang dipancarkan kembali dalam bentuk radiasi inframerah yang panjang gelombangnya lebih panjang, yang terkurung didalam rumah kaca.
Panel Surya
Panel surya adalah suatu perangkat yang digunakan untuk menyerap radiasi dari matahari. Kalor radiasi dari matahari diserap oleh permukaan hitam dan dihantarkan secara konduks melalui logam. Bagian dalam panel dijaga agar tetap hangat kemudian sirkulasi air melalui wadah logam akan membawa kalor menjauh untuk dimanfaatkan pada sistem pemanas air domestik atau memanasi kolam renang.
