PERPINDAHAN KALOR

https://gifimage.net/wp-content/uploads/2017/11/gif-fisika-10.gif

PERPINDAHAN KALOR

  A.  Azas Black

            Bila dua buah benda yang suhunya berbeda  digabungkan, maka kalor akan mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Bila kedua benda itu panasnya diisolasi terhadap pengaruh lingkungannya, sehingga kalor benar-benar mengalir mengalir hanya di antara benda itu, maka jumlah kalor yan dilepaskan oleh benda yang bersuhu tinggi sama dengan jumlah kalor yang diserap oleh benda yang bersuhu rendah. Pertukaran energi  seperti itu merupakan dasar dari sebuah cara pengukuran  kuantitatif dari pertukaran kalor yang dikenal sebagai kalorimetri.  Untuk melaksanakan pengukuran itu biasa digunakan alat yang disebut kalorimeter. Prinsip pertukaran kalor dimana jumlah kalor yang diserap oleh zat/ benda sama dengan jumlah kalor yang diterima benda/zat  lain dalam sebuah kalorimeter dikenal sebagai azas Black  ( Q_lepas  = Q _{terima ).}

B.  Perpindahan kalor

            Kalor dapat berpindah dari benda/sistem yang bersuhu tinggi ke sistem/benda bersuhu rendah. Ada 3 macam  perpindahan kalor yaitu konduksi, konveksi dan radiasi , seperti yang akan dikemukakan berikut ini.

Sumber : https://idschool.net/smp/fisika-smp/rumus-kalor-dan-contoh-soal-grafik-perubahan-zat/

1. Konduksi

            Dalam benda padat kalor dipindahkan dari satu bagian ke bagian lain yang bersuhu lebih rendah dengan cara konduksi atau rambatan atau hantaran. Pada perpindahan kalor secara konduksi, kalor dipindahkan oleh atom-atom atau elektron-elektron yang energi kinetiknya lebih besar ke atom-atom atau elektron yang energi kinetiknya rendah melalui tumbukan. Perpindahan kalor ini tidak disertai perpindahan partikel materi yang menghantarkan kalor itu.   

  

Sebuah batang yang panjangnya L dan Luas Penampangnya A salah satu ujungnya dibakar

dengan pembakar bunsen sehingga suhunya   ditempat itu (T₁) menjadi lebih tinggi daripada suhu di ujung lainnya (T₂ ).

 Bila suhu-suhu itu dipertahankan tetap, maka kalor Q akan berpindah dari ujung yang suhunya lebih tinggi ke ujung yang suhunya lebih rendah. Jumlah kalor yang dirambatkan pada batang ini setiap satu satuan waktu sebanding dengan selisih suhu kedua ujungnya, sebanding dengan luas penampang batang, dan berbanding terbalik dengan panjang batang. Hal itu dinyatakan secara matematik oleh persamaan :

                                         

Dengan :

            H         = kalor yang dihantarkan tiap satu satuan waktu (joule/sekon)

            Q         = jumlah kalor yang dihantarkan

            T          = selang waktu (sekon)

            A         = luas penampang (m² )

            (T₁-T₂) = selisih suhu (^oK)

            L          = panjang penghantar (m)

            K         = koefisien konduksi termal  ( joule/m.sek.^oK)

             = disebut juga gradien suhu batang penghantar

Untuk lebih memahami materi konduksi kalor, saksikan video berikut :

Sumber : https://youtu.be/FBE72pw49X4

2.  Konveksi

            

              Pada Zat cair dan gas, kalor dipindahkan dengan cara konveksi oleh molekul molekul yang

bergerak dari bagian yang suhunya lebih tinggi ke bagian yang suhunya lebih rendah. Jadi pada 

perpindahan kalor secara konveksi, disertai oleh adanya perpindahan molekul molekul yang

memindahkan kalor itu.

            Pada gambar diatas dilukiskan sejumlah air dalam bejana dipanasi  di atas pembakar bunsen. Bagian bawah bejana bersuhu lebih tinggi dari pada bagian atasnya, sehingga massa jenis molekul air menjadi lebih kecil dari pada massa jenis molekul air di bagian atasnya yang bersuhu lebih rendah. Karena gaya ke atas Archimedes, maka molekul air yang massa jenisnya lebih kecil akan bergerak ke atas , sebaliknya molekul air yang massa jenisnya lebih besar akan  bergerak ke bawah. Pergerakan molekul air itu disertai dengan membawa kalor, sehingga kalor dipindahkan oleh molekul-molekul  yang bergerak itu dikenal sebagai peristiwa konveksi .

            Jumlah kalor  yang dikonveksikan pada tiap satu satuan waktu sebanding dengan luas permukaan dan sebanding pula dengan selisih suhu (T₁-T₂), atau secara matematik dinyatakan oleh persamaan                              

                                                H  = h A  (T₁-T₂)

dengan:

H         = kalor yang dikonversikan tiap sekon ( kal/s )

h          = koefisien konveksi dalam joule/m².s.^oC

A         = luas permukaan dinyatakan dalam m²

3.  Radiasi

            Radiasi kalor adalah perpindahan kalor dari benda yang bersuhu tinggi ke dalam lingkungannya yang bersuhu tinggi dengan cara dipancarkan. Pemancaran kalor ini adalah dalam bentuk gelombang elektromagnetik sehingga tidak memerlukan medium panghantar atau perantara, misalnya panas matahari sampai ke bumi dengan cara radiasi melalui gelombang cahaya.

Sumber : https://prelo.co.id/blog/3-cara-perpindahan-kalor-yang-penting-buat-kamu-tahu/

            
Menurut Stefan-Boltzman jumlah kalor yang di pancarkan setiap satuan waktu dan setiap satuan luas, atau juga disebut sebagai intensitas radiasi sebanding dengan selisih suhu pangkat empat antara benda dan lingkungannya. Secara matematik dinyatakan dengan persamaan

                                                W = e σ ( T⁴ -  T_o⁴) 

Dengan:

R adalah intensitas radiasi dalam joule/m².s.^oK

e adalah emisivitas panas tidak bersatuan

σ adalah konstanta Stefan-Boltzman ( 5,67 x 10^-8 watt/m².^oK⁴

T adalah suhu benda

T_o adalah suhu lingkungan di sekitar benda.

            Jika suhu benda jauh lebih tinggi dari dari suhu lingkungannya, sehingga suhu lingkungan dapat diabaikan terhadap suhu benda, maka intensitas radiasinya dapat dinyatakan oleh persamaan

                                                W = e σ  T⁴ 

            Untuk benda hitam sempurna nilai emisivitasnya (e) sama dengan nilai absirbsivitasnya (a) yaitu sama dengan 1.

Perhatikan video berikut :

                               sumber : https://www.youtube.com/watch?v=SckM8PYLX24

Contoh :

Sebuah bola logam luas permukaannya 5 cm² , emisivitasnya 0,4, dan suhunya 2500 K

Bila bola itu ditempatkan dalam lingkungan yang bersuhu 500 ^oK dan σ =5,67 x 10^-8 watt /m². ^oK⁴

Berapakah daya yang dipancarkan bola itu ?

Penyelesaian :

                       Intensitas radiasi =  I =  Daya yang dipancarkan/ luas permukaan

                        W  = P/A =  e σ ( T⁴ -  T_o⁴)

                        P  = e σ ( T⁴ -  T_o⁴) A = 4,42 x 10 ^-2 watt

KUIS

1.     Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda bergantung pada ....

A. massa benda, suhu awal, suhu akhir

B. massa benda dan jenis benda

C. jenis benda dan kenaikan suhu

D. massa benda, jenis benda dan kenaikan suhu

E. kenaikan suhu dan lama

2.     Dalam botol termos terdapat 200 gram kopi pada suhu 90 ^O C. Ditambahkan susu sebanyak 100 gram bersuhu 20 ^O C. Berapakah suhu campuran? (misalkan tidak ada kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos dan kalor jenis kopi = susu = air = 1,00 kal/g OC)

A. 5 ^OC                                                        

B. 67 ^OC

C. 88 ^OC                                                      

            D. 90 ^OC

E. 100 ^OC

3.    Lima  gram es pada suhu 0 ^OC dimasukkan ke dalam 200 gram air yang bersuhu 20 ^OC. Jika kalor lebur es = 80 kal/g dan kalor jenis air 1 kal/g ^OC, suhu akhir campuran adalah ....

A. 0 ^OC           

B. 18 ^OC    

C. 3,3 ^OC

D. 5 ^OC              

E. 2 ^OC

4.   Sebuah jendela kaca suatu ruangan panjangnya 2 m lebarnya 1 m dan tebalnya 20 mm. Suhu di permukaan dalam dan permukaan luar kaca masing-masing 24 ^OC dan 27 ^OC. Jika konduksi termal = 8.10^-1 Wm^{- 1}K^-1, maka  jumlah kalor yang mengalir ke dalam ruangan melalui jendela itu tiap sekon adalah ...

A.    0,024 Js^-1         

B.    0,048 Js^-1      

C.    0,24 Js^-1   

D.    0,072 Js^-1   

E.    0,48 Js^-1

5.    Angin lembah terjadi saat suhu di lembah lebih kecil dibanding di puncak gunung. Jika pada suatu saat perbedaan suhunya ΔT maka angin lembah tersebut memindahkan energi per detik sebesar P. Pada saat beda suhunya 10 ΔT maka  energi angin yang dirambatkan per detik adalah ...

A.    P              

B.    5 P        

C.    10 P     

D.    100 P

E.    10.000 P

6.   Sebuah benda hitam sempurna mempunyai luas permukaan 1000 cm²  dengan suhu 27 ^OC. Jika konstanta Stefan – Boltmanz = 5,67. 10^-8 watt/m2.K4, maka  besarnya energi yang dipancarkan selama 1 menit adalah...

A.    2754 J           

B.    459  J            

C.    275,4 J

D.    45,9 J        

E.    27,54 J