Kalor (Pengertian, Perpindahan Kalor/Panas, Rumus Kalor dan Contoh Soal Lengkap)

A. Pengertian Kalor

    Kalor adalah salah satu bentuk energi yang berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah. Karena kalor sangat identik dengan panas, dalam kehidupan sehari-hari kalor sering digunakan untuk mengganti kata panas. Satuan kalor setara dengan satuan energi, yaitu Joule yang dinotasikan J. Satuan ini ditetapkan oleh James Presscott Joule setelah ia melakukan penelitian menggunakan alat yang kini disebut kalorimeter. Selain dinyatakan dalam joule, kalor juga dapat dinyatakan dalam satuan lain yang disebut kalori.

Pertanyaan yang sering muncul yaitu:

• 1 Joule berapa kalori? atau sebaliknya 1 Kalori berapa Joule?

Jawabannya dari perbandingan antara joule dan kalori adalah sebagai berikut:

1 kalori = 4,186 joule
1 Joule = 0,239 kalori

atau dibulatkan menjadi:

1 kalori = 4,2 joule
1 Joule = 0,24 kalori

Satuan kalor pada awalnya adalah kalori. Satu kalori ditetapkan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1°C. Tetapi hasil percobaan yang dilakukan oleh Joule menunjukkan bahwa untuk suhu air yang berbeda membutuhkan kalor yang berbeda pula, maksudnya adalah untuk menaikkan suhu air sebesar 1°C pada air yang bersuhu 0°C berbeda dengan air yang bersuhu 15°C. Pada penelitian diperoleh hasil bahwa:

1 kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 10 C yaitu 14,5°C - 15,5°C pada tekanan 1 atm (76 cmHg)

Meski secara alamiah kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah, tapi dengan perlakuan tertentu ternyata kalor dapat berpindah dengan arah yang sebaliknya. Contoh perpindahan kalor dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi adalah pada proses pembuatan es dan pendingin ruangan.

B. Perpindahan Kalor / Panas

    Kalor merupakan bentuk dari energi yang dapat berpindah karena adanya perbedaan suhu. Perpindahan suhu terjadi dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Berdasarkan

pemahaman kita (pengalaman empiris) dalam kehidupan sehari-hari, ternyata kalor dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu: konduksi (perambatan), konveksi (aliran) dan radiasi (pancaran).

1. Perpindahan Kalor secara Konduksi

    Konduksi adalah perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel zatnya.

Kita tidak akan berani memegang ujung besi yang ujung satunya sedang dipanasi, (misalnya sedang di las). Mengapa demikian ? Karena ujung besi yang kita pegang tersebut lama-kelamaan akan terasa panas. Perpindahan panas yang terjadi dari ujung yang satu ke ujung besi yang lain disebut dengan konduksi panas.

    Contoh konduksi adalah pada penerapan untuk mencegah konduksi panas dalam kehidupan sehari-hari. Misalnya ibu kita selalu menggunakan alat-alat dapur dengan pegangan tahan panas.

2. Perpindahan Kalor secara Konveksi

    Konveksi adalah perpindahan energi kalor disertai perpindahan partikel zat perantarannya. 

Contoh konveksi yang sering kita alami yaitu pada saat memasak air dan kita sering kita rasakan didaerah pegunungan atau pantai saat angin berhembus. Pada air yang sedang mendidih akan kita lihat gerakan-gerakan dari air tersebut, di daerah pegunungan akan kita rasakan hembusan angin yang terasa dingin. Demikian pula apabila kita berada di pantai akan terasa perbedaan suhu yang disertai dengan angin yang menggerakkannya. Perpindahan kalor yang disertai zatnya disebut konveksi.

Konveksi terjadi karena adanya perbedaan berat jenis (s) zat cair akibat dari pemanasan. Berat jenis merupakan perkalian antara massa jenis zat (U) dengan percepatan grafitasi bumi (g). Sedangkan massa jenis merupakan hasil bagi antara massa zat (m) dengan volume zat (V). Selain terjadi pada zat cair perpindahan kalor secara konveksi juga berlaku pada zat yang ikatan partikelnya tidak terlalu kuat (gas).

Perpindahan kalor secara konveksi juga terlihat pada alat konveksi udara seperti gambar dibawah ini. 

Alat konveksi udara terdiri dari kotak kaca dengan dua cerobong. Di dalamnya diletakkan lilin yang menyala di titik C. Ketika asap dari obat nyamuk didekatkan pada cerobong A, ternyata asap tersebut akan masuk ke dalam kotak konveksi titik B, dari titik B bergerak ke titik C kemudian keluar cerobong asap titik D.

    Salah satu peristiwa dalam kehidupan sehari-hari yang menunjukkan adanya konveksi udara adalah terjadinya angin. Di daerah pantai kita mengenal adanya angin darat (angin yang bergerak dari darat ke laut, terjadi pada waktu siang hari) dan angin laut (angin yang bergerak dari laut ke darat, terjadi pada waktu malam hari).

Perhatikan gambar di bawah ini:

3. Perpindahan Kalor secara Radiasi

    Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa menggunakan zat perantara (pancaran). Radiasi dapat melalui ruang hampa. Contoh radiasi yaitu perpindahan panas melalui sinar matahari.

Dapatkah kalor dipindahkan tanpa adanya zat perantara?

Kenyataan yang kita alami setiap hari kita dapat merasakan panas dari sinar matahari. Antara bumi dan matahari terdapat ruang hampa yang berarti tidak ada zat perantara. Perambatan kalor dari matahari ke bumi disebut radiasi.

Sinar matahari sampai ke bumi dalam bentuk pancaran gelombang elektromagnet. Gelombang elektromagnet adalah gelombang yang terbentuk oleh getaran listrik dan getaran magnet yang saling tegak lurus, artinya apabila cahaya bergerak maju maka arah getaran gelombang listriknya ke atas-bawah dan arah gelombang magnetnya ke kiri-kanan.

    Cahaya tampak dari matahari hanya merupakan salah satu dari gelombang elektromagnet. Termasuk gelombang elektromagnet antara lain:

sinar gamma, sinar X, gelombang radio, gelombang TV, gelombang radar, gelombang cahaya dan sebagainya. Gelombang elektromagnet mempunyai kecepatan yang sangat besar yaitu 3x108 m/s, artinya dalam waktu 1 detik gelombang elektromagnet menempuh jarak 300.000.000 meter. 

Jarak di jagad raya tidak diukur menggunakan satuan meter karena akan menghasilkan angka yang besar. Pengukurannya menggunakan jarak perjalanan cahaya (gelombang elektromagnet). Jarak 1 tahun cahaya adalah jarak yang ditempuh cahaya atau gelombang elektromagnet selama 1 tahun.

C. Rumus Kalor (Asal Sistem Perumusan Kalor / Panas)

    Ketika memanaskan air semakin lama waktunya semakin tinggi kenaikan suhunya, dan semakin tinggi suhunya semakin banyak pula energi kalor yang diperlukannya. Dengan demikian perubahan suhu berpengaruh terhadap banyaknya energi kalor yang diperlukan. Banyaknya benda yang dipanaskan pada umumnya dinyatakan dengan massa benda. Massa benda dilambangkan dengan m dengan satuan kilogram (kg). Maka, banyaknya kalor yang dibutuhkan (Q) sebanding dengan massa benda atau secara bentuk rumus persamaannya adalah:

Q = m

Banyaknya kalor yang diperlukan antara air dan minyak goreng yang sama massanya akan berbeda. Minyak goreng akan lebih cepat panas dibandingkan air, sehingga kalor yang dibutuhkan air intuk mencapai suhu tersebut, lebih banyak. Dengan demikian faktor ketiga yang memengaruhi jumlah kalor yang dibutuhkan adalah jenis zat.

    Banyaknya kalor yang diperlukan setiap kilogram zat untuk menaikkan suhu satu Kelvin disebut kalor jenis. Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhunya sebanding dengan kalor jenis benda itu. Kalor jenis dilambangkan dengan c, dan banyaknya kalor dengan Q, maka terbentuk rumus persamaan:

Q = c

Besarnya kalor jenis pada beberapa zat berbeda-beda. Satuan kalor jenis dalam SI adalah joule per kilogram Kelvin (J/kg.K), atau dalam joule per kilogram derajat Celsius (J/kg°C).

    Dengan demikian, kalor yang diperlukan untuk menaikkan atau menurunkan suhu benda bergantung kepada massa (m) dengan satuannya kilogram (kg), kalor jenis (c) dengan satuannya J/kg.K atau J/kg °C, dan perubahan suhu (ΔT) dengan satuannya Kelvin atau °C. Hubungan antara banyaknya kalor (Q), massa benda (m), kalor jenis (c), dan perubahan suhu (ΔT) dapat dinyatakan dengan persamaan:

Q = m.c. ΔT

c = Q / m.ΔT 

• Besarnya kalor yang digunakan untuk meleburkan zat pada titik leburnya tergantung pada massa zat (m) dan kalor lebur zat (L), rumusnya yaitu:

Q = m . L

Keterangan:

Q = kalor (joule atau J)

m = massa zat (kilogram atau kg)

L = kalor lebur (joule/kilogram atau J/kg)

• Besarnya kalor yang digunakan untuk menguapkan zat pada titik uapnya tergantung pada massa zat (m) dan kalor lebur uap (U)

Q = m . U

Keterangan:

Q = kalor (joule ataui J)

m = massa zat (kilogram atau kg)

U = kalor uap (joule/kilogram ayau J/kg)

• Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar 1º C atau 1 K. Secara matematis ditulis:

C = Q/Δt atau Q = C.Δt

karena Q = m.c.ΔT, maka berlaku C = m.c

D. Contoh Soal Kalor

1. Sepotong besi 500 gram memiliki suhu 310 K. Besi itu dibiarkan hingga mencapai suhu kamar sekitar 300 K. Kalor jenis besi 450 J/kg.K. Hitunglah kalor yang dilepaskan!

Diketahui:

- massa besi (m) = 500 gram = 0,5 kg

- perubahan suhu (ΔT) = suhu akhir – suhu awal = 300 K – 310 K= –10 K, berarti negatif besi melepaskan energi kalor.

- kalor jenis (c) = 450 J/kg.K

Ditanyakan:

- Banyak kalor yang dilepaskan besi (Q) ..... joule

Jawaban:

Q = m.c.ΔT

    = 0,5 x 450 x (–10)

    = –2.250 joule, karena bernilai negatif, maka besi itu melepaskan kalor sebesar 2.250 joule.

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

Diketahui:

massa besi (m) = 2 kg

kenaikan suhu besi (ΔT) = 30 °C – 14 °C = 16 °C

energi kalor yang diperlukan (Q) = 14.400 J

Ditanyakan:

c = ...?

Jawab:

Dengan menggunakan Persamaan diperoleh:

c = Q /m.ΔT = 14.400 J / 2 kg × 16°C  = 450 J kg-1 °C-1 (-1 baca = pangkat -1)

Jadi, kalor jenis besi tersebut adalah 450 J kg-1 °C-1.

3. Kalor 31,5 kJ dilepaskan dari 1,2 kg es pada suhu -15 °C. Berapakah suhu akhirnya, jika kalor jenis es adalah 2.100 J kg -1 °C-1?

Diketahui:

suhu awal = -15 °C

massa es (m) = 1,2 kg

kalor jenis es (c) = 2.100 J kg-1 °C-1

energi kalor yang dilepaskan (Q) = 31,5 kJ = 31.500 J

Ditanya:

suhu akhir = ...?

Jawab:

Q = m⋅ c⋅ ΔT → ΔT = Q /m.c

= 31.500 J / 1,2 kg × 2.100 J kg-1 °C-1

= 12,5 °C

Jadi, suhu akhirnya adalah:

Perubahan suhu = suhu awal – suhu akhir suhu akhir = suhu awal – perubahan suhu

= -15 °C – 12,5 °C

= -27,5 °C

4. Untuk menaikkan suhu suatu benda dari 10 °C hingga 30 °C diperlukan kalor 60.000 J. Hitung besar kapasitas kalor benda tersebut!

Diketahui:

Q = 60.000 J

T1 = 10 °C

T2 = 30 °C

Ditanya:

C = ….?

Jawab:

Dengan menggunakan Persamaan (3 – 14) diperoleh:

C = Q.ΔT

= 60.000 J / 30°C - 10 °C

= 3.000 J °C-1

Jadi, kapasitas kalor benda adalah 3.000 J °C-1.

Selain dengan menggunakan rumus, untuk mengetahui banyaknya kalor yang diterima atau yang dilepaskan benda dapat menggunakan alat yang disebut kalorimeter. Besi misalnya dimasukkan ke dalam kalorimeter. Dengan memperhatikan perubahan suhu pada termometer, kita dapat menghitung persamaan tadi.

Alat untuk mengetahui kalor jenis suatu zat disebut kalorimeter. Kalorimeter dirancang khusus untuk meminimalkan pembuangan energi ke luar sistem. Jadi, pertukaran kalor hanya terjadi pada air dan zat yang akan diukur kalor jenisnya. Cara kerja kalorimeter dalam menentukan kalor jenis adalah sebagai berikut. Bahan yang akan diukur kalor jenisnya dipanaskan pada suhu tinggi dan secara akurat diukur suhunya. Bahan dengan cepat dimasukkan ke dalam kalorimeter yang berisi air dingin. Kalor jenis bahan dapat diketahui dengan melihat suhu akhir campuran bahan dan air.

Dari hasil pengukuran di laboratorium, kalor jenis beberapa zat diberikan dalam tabel berikut.

Proses Perubahan Wujud Zat Oleh Kalor

    Selain dapat menaikkan suhu zat, kalor dapat juga mengubah wujud zat. wujud zat ada tiga, yaitu padat, cair, dan gas. Es merupakan salah satu contoh dari wujud zat padat. Es dipanaskan berarti es diberi energi kalor. Karena es diberi energi kalor, suhunya menjadi naik, sehingga es mencair atau melebur menjadi air. Perubahan wujud zat ini disebut mencair atau melebur.

    Apabila air dipanaskan, berarti air diberi energi kalor. Karena air diberi energi kalor, suhu air naik, sehingga air mendidih. Air mendidih ditandai dengan adanya gelembung-gelembung air yang bergerak pada suhu 100°C dan adanya asap yang mengepul menguap menjadi gas. Perubahan wujud zat seperti itu disebut menguap.

    Apabila gas melepaskan kalornya, gas akan berubah menjadi air atau zat cair, sehingga terjadi perubahan wujud zat yang disebut mengembun. Apabila air melepaskan kalornya secara terusmenerus akan menjadi es. Perubahan wujud zat seperti itu disebut membeku. Kapur barus atau kamper dalam keadaan terbuka akan menerima energi kalor dari udara, sehingga ukuran kamper itu mengecil dan kemudian habis menjadi gas. Peristiwa perubahan wujud padat menjadi gas disebut menyublim.

Untuk lebih jelasnya lihatlah pada artikel berikut ini:

• Apa itu Membeku, Mencair, Menguap, Mengembun, Menyumblim, dan Mengkristal?

Sifat Daya Pancaran dan Daya Serap Kalor

    Untuk mengetahui sifat-sifat daya pancaran dan daya serap kalor berbagai benda digunakan Termoskop deferensial.

1. Untuk daya pancaran kalor: Termoskop deferensial. Terdiri dari dua bola kaca yang dihubungkan dengan pipa U yang diberi cairan berwarna. Jika benda yang berbeda warnanya memancarkan kalor, dapat diketahui warna apa yang paling besar daya pancarannya. Terlihat dari turunnya zat cair pada pipa U.

2. Untuk daya serap kalor: Termoskop deferensial. Terdiri dari dua bola kaca yang berbeda warnanya. Kemudian dipanaskan dengan panas yang sama. Daya serap dapat diketahui berdasarkan penuruan zat cair pada pipa U.

Dari dua percobaan termoskop deferensial diketahui bahwa:

• benda warna hitam merupakan pemancar panas dan penerima panas yang paling baik
• pemancar dan penerima yang paling buruk adalah warna putih mengkilap.

Dengan pengetahuan tentang perambatan kalor kita dapat mencegah terjadinya pemindahan kalor dengan mengisolasinya sehingga dapat kita manfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Contoh yang paling sederhana adalah pemanfaatan termos.

• Termos adalah alat yang digunakan untuk mengisolasi energi kalor dalam ruang.
• Termos terbuat dari dua lapisan kaca yang hampa udara digunakan untuk mencegah konveksi kalor.
• Dindingnya dibuat mengkilap digunakan untuk mencegah radiasi kalor.
• Tutupnya terbuat dari gabus untuk mencegah konduksi kalor.