Hukum Kekekalan Energi / Asas Black (Contoh Soal Asas Black dan Jawabannya)

Hukum Kekekalan Energi

    Kesetimbangan termal terjadi apabila dua zat yang berbeda suhunya bersentuhan. Zat dengan suhu tinggi mempunyai getaran partikel lebih cepat dibandingkan dengan zat yang bersuhu rendah. Apabila keduanya bersentuhan maka partikel zat bersuhu tinggi energi getarannya akan mengenai partikel zat yang bersuhu rendah akibatnya lama-kelamaan keduanya akan mempunyai kecepatan getaran yang sama yang ditandai dengan adanya kesamaan suhu kedua zat. Jadi kesetimbangan termal terjadi ditandai dengan adanya suhu yang sama.

    Pada kesetimbangan termal berlaku Hukum kekekalan energi. Kesetimbangan termal telah diteliti oleh ilmuwan berkebangsaan Inggris yang bernama Joseph Black (1720–1799) hasil penelitiannya dikenal dengan Asas Black. Sehingga Joseph Black, orang yang pertama kali mengungkapkan hukum kekekalan energi.

Bunyi hukum kekekalan energi yaitu:

"Energi tidak dapat diciptakan, tidak dapat dimusnahkan tetapi hanya dapat berubah ke bentuk energi lain. "

"Banyaknya kalor yang diberikan sama dengan banyaknya kalor yang diterima"

Pernyataan itu dinyatakan sebagai bunyi hukum kekekalan energi kalor yang disebut Asas Black. Asas Black menunjukkan, apabila dua zat yang suhunya berbeda bersentuhan maka zat yang bersuhu tinggi akan melepas kalor dan zat yang bersuhu rendah akan menerima kalor. Besarnya kalor yang dilepas benda bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diterima oleh benda yang bersuhu rendah.

Rumus dan Contoh Soal Asas Black

    Apabila banyak kalor yang diberikan dinyatakan dengan Q1 dan banyaknya kalor yang diterima dinyatakan dengan Q2, maka terbentuk rumus persamaan:

             Q1 = Q2m1.c1.ΔT1 = m2.c2.ΔT2

Keterangan:

Q = banyaknya kalor (joule atau J)

m = massa benda (kg)

c = kalor jenis (J/kg.K)

ΔT = perubahan suhu (K)

Contoh Soal disertai jawabannya tentang Asas Black

1. Air dengan massa 2 kg suhunya 80°C dicampur dengan 4 kg air bersuhu 20°C jika kalor jenis air 1 kkal/kg°C. Hitunglah suhu akhir campuran tersebut!

Diketahui:

c = 1 kkal/kg°C

Air yang melepas kalor

m = 2 kg

t = 800C

Air yang menerima kalor

m = 4 kg

t = 20°C

Ditanya : t2 = .... ?

Jawab:

Misalnya suhu akhir campuran t2 maka :

Δt yang dilepas = (80° - t2)

Δt yang diterima = (t2 - 20°)

Q (dilepas) = Q (diterima)

( m . c . t )L = ( m . c . t )T

2 . 1 . (80 – t2) = 4 . 1 . (t2 – 20)

160 – 2t2 = 4tc - 80

6 tc = 240

tc = 240/6

maka : tc = 40°C

2. Seorang ibu memandikan bayinya dengan air hangat. Ia mencampurkan air panas dengan air dingin. Air panas sebanyak 5 kg dengan suhu 80°C. Air dingin sebanyak 10 kg dengan suhu 20°C. Berapakah suhu akhir dari air hangat yang digunakan ibu itu?

Diketahui:

Suhu akhir campuran = T2

- Kalor air mendidih = Q1

- Massa air mendidih = m1 = 5 kg

- Perubahan suhu air mendidih (DT1) = 80 – T2

- Kalor jenis air mendidih = c(air)

- Maka banyaknya kalor air mendidih= Q1 = m1.c(air).ΔT1

- Kalor yang diterima air dingin = Q2

- Massa air dingin = m2 = 10 kg

- Perubahan suhu air dingin (ΔT2) = T2 – 20

- Kalor jenis air dingin = cair

- Maka banyaknya kalor air dingin = Q2 = m2.c(air).ΔT2

Ditanya: Suhu akhir (T1)..?

Jawab:

Berdasarkan hukum atau azas Black:

m1.c(air).ΔT1 = m2.c(air).ΔT2

5 x c(air) x (80 – Ta) = 10 x c(air) x (T2 – 20)

5 x (80 – T2) x c(air)= 10 x (T2 – 20) x c(air)

400 – 5T2 = 10T2 – 200

400 + 200 = 10 T2 + 5T2

600 = 15T2

T2 = 600/15

T2 = 40°C

3. Untuk membuat air hangat, Tina mencampurkan 500 g air yang bersuhu 30°C dengan air sebanyak 250 g yang bersuhu 60°C. Jika kalor jenis air adalah 4.200 J kg-1 °C-1, berapakah suhu akhir campuran?

Diketahui:

m1 = 500 g = 0,5 kg m 2 = 250 g = 0,25 kg

T1 = 30 °C

T2 = 60 °C

c = 4.200 J kg-1 °C-1

Ditanya: Ta ...?

Jawab:

Dengan menggunakan Persamaan (3 – 18) diperoleh:

Q1 = Q 2

m1.c.(Ta – T1) = m2.c.(T2 – Ta)

m1.(Ta – T1) = m2.(T2 – Ta)

0,5 kg × (Ta– 30°C) = 0,25 kg × (60°C – Ta)

2(Ta – 30°C) = 60 °C – Ta

2Ta – 60 °C = 60 °C – Ta

3Ta = 120 °C

Ta = 40 °C

Jadi, suhu campurannya adalah 40 °C.

4. Dua ratus gram air bersuhu 80° C dimasukkan ke dalam gelas yang berisi 20 gram susu yang memiliki suhu 5°C. Jika kalor jenis air sama dengan kalor jenis susu 4.200 J/kg° C, berapakah suhu akhir campuran? (pengaruh kalor terhadap gelas diabaikan)

Diketahui:

m(air) = 0,2 kg

c = 4.200 J/kg° C

Δt1 = 80° C - Ta

m (susu) = 20 g

Δt1 = Ta - 50° C

Ditanya : Ta..?

Jawab:

Qlepas = Qterima

m1.c1.Δt1 = m2.c2.Δt2

Karena kalor jenis (c) sama, maka:

m(air).Δt1 = m(susu).Δt2

(0,2 kg).(80° C - Ta) = (0,02 kg).(Ta - 5° C)

800 kg° C - 10 kg.Ta = 1 kg.Ta - 5 kg° C

805 kg° C = 11 kg.Ta

Ta = ······· = 73,18° C

Jadi, suhu akhir campuran tersebut adalah 73,18° C.

Penerapan Asas Black Pada Dispenser

    Pernahkah kamu membuat air panas dengan menggunakan dispenser? Prinsip Asas Black juga dipakai dalam pembuatan air panas oleh dispenser. Air dalam dispenser tersebut dapat mendidih karena memperoleh energi panas dari energi listrik yang berasal dari elemen pemanas. Pada peristiwa tersebut, elemen pemanas memberikan energi panas dan air menerimanya. Secara matematis peristiwa pada dispenser dituliskan sebagai berikut.

Qlepas = Qterima

Wlistrik = Q

P.t = m.c.ΔT

Keterangan:

W = energi listrik (J)

Q = banyaknya kalor yang diterima (J)

P = daya listrik (W)

t = banyaknya waktu yang diperlukan (s)

m = massa (kg)

c = kalor jenis air (J kg-1 °C-1)

ΔT = perubahan suhu (°C)

Contoh

    Sebuah pemanas listrik yang memiliki daya 350 W digunakan untuk memanaskan air dari suhu 30°C menjadi 80°C selama 20 menit. Jika kalor jenis air 4.200 J kg-1°C-1, tentukan massa air tersebut!

Diketahui:

P = 350 W               ΔT = 80°C – 30°C = 50°C

T1 = 30 °C              t = 20 menit = 20 × 60s = 1.200s

T2 = 80 °C              c = 4.200 J kg-1 °C-1

Diatanya: m...?

Jawab:

Dengan menggunakan Persamaan rumus diatas diperoleh:

P.t = m.c.ΔT

(350 W).(1.200 s) = m × (4.200 J kg-1 °C-1).(50°C)

m =  [(350 W).(1.200 s)] / [(4.200 J kg-1°C-1).(50 C)]

m = 2 kg

Jadi, massa air tersebut adalah 2 kg.

Penemu Asas Black / Hukum Kekekalan Energi - Joseph Black

    Joseph Black (16 April 1728 – 6 Desember 1799) adalah adalah ahli kimia dari Britania yang terkenal dengan jawaban terperincinya tentang isolasi dan aktivitas kima dari gas karbon dioksida. Ia dilahirkan di Bordeaux, Perancis. Black memulai penelitian mengenai sifat kimia magnesia alba (magnesium karbonat) dan menemukan sesuatu yang disebutnya dengan fixed air (karbon dioksida). Eksperimen ini melibatkan pengukuran gravimetrik pertama yang dilakukan dengan sangat hati-hati pada suatu perubahan ketika magnesia alba (dengan melepaskan CO2) dan bereaksi menghasilkan produk berupa asam atau basa.

    Pada tahun 1756, dia bertemu James Watt (penemu mesin uap) dan memulai bekerja mengembangkan kalor laten, dan bagian pertama dari kalorimetri. Karena dia tinggal di Glasgow, dia melakukan eksperimen pada proses pembekuan dan pendidihan air dan campuran airalkohol yang mengawalinya pada konsep kalor laten leburan. Dia melakukan penelitian yang sama untuk kalor laten penguapan, yang merupakan awal dari konsep kapasitas kalor atau kalor spesifik.