perpindahan kalor

PERPINDAHAN KALOR

A.           KALOR

Dari sisi sejarah kalor merupakan asal kata caloric ditemukan oleh ahli kimia perancis yang bernama Antonnie laurent lavoiser (1743 - 1794). Kalor memiliki satuan Kalori (kal) dan Kilokalori (Kkal). 1 Kal sama dengan jumlah panas yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 gram air naik 1 derajat celcius. Teori kalor dasar adalah:

·      Kalor yang diterima sama dengan kalor yang dilepas. Azas Black, Penemunya adalah Joseph Black (1720 - 1799) dari Inggris.

·      Kalor dapat terjadi akibat adanya suatu gesekan. Penemunya adalah Benyamin Thompson (1753 - 1814) dari Amerika Serikat

·      Kalor adalah salah satu bentuk energi. Ditemukan oleh Robert Mayer (1814 - 1878)

·      Kesetaraan antara satuan kalor dan satuan energi disebut kalor mekanik.. Digagas oleh James Prescott (1818 - 1889).

Kalor merupakan salah satu bentuk energi maka satuan kalor pun sama dengan satuan energi, yaitu joule atau kalori. Kalor dapat menaikkan suhu suatu zat dan dapat mengubah wujud zat. Benda yang mendapat kalor suhunya naik, sedang yang melepas kalor suhunya turun.

Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud zat dinamakan kalor laten dan kalor uap. Kalor laten itu adalah banyaknya kalor yang diperlukan dan dilepaskan oleh 1 kg atau 1 g zat agar dapat mengubah wujudnya sedangkan kalor uap yaitu banyaknya kalor per satuan massa yang diberikan pada zat di titik didihnya agar wujud zat cair berubah menjadi wujud gas seluruhnya pada titik didih tersebut. Menguap dan melebur adalah peristiwa perubahan wujud yang membutuhkan kalor,

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda (zat) bergantung pada 3 faktor yaitu:

·           Massa zat

·           Jenis zat (kalor jenis)

·           Perubahan suhu

Kalor adalah suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan benda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya. Kalor berbeda dengan suhu, karena suhu adalah ukuran dalam satuan derajat panas. Kalor merupakan suatu kuantitas atau jumlah panas baik yang diserap maupun dilepaskan oleh suatu benda. Jika suatu benda menerima / melepaskan kalor maka suhu benda itu akan naik/turun atau wujud benda berubah.

Kalor menyatakan bentuk energi yang pindah karena adanya perbedaan suhu. Kalor adalah energi yang diterima oleh sebuah benda sehingga suhu benda itu naik atau wujudnya berubah. Demikian pula, kalor adalah energi yang dilepaskan oleh sebuah benda sehingga suhu benda itu turun atau wujudnya berubah. Kalor adalah salah satu bentuk energi yang dipindahkan oleh benda yang memiliki suhu lebih tinggi ke benda yang memiliki suhu lebih rendah. Kita harus membedakan pengertian suhu dan kalor. Suhu adalah ukuran derajat panas sedangkan kalor adalah ukuran banyaknya panas.

1.               K alor dapat Mengubah Wujud Zat

Jika suatu benda diberi pengaruh panas, ternyata benda tersebut mengalami perunbahan keadaan yaitu perubahan wujud dari satu bentuk ke bentuk lain. Wujud tersebut dapat berupa padat cair atau gas. Pemberian kalor akan meningkatkan suhu es, jika pemberian kalor secara terus menerus akan menjadikan es yang awalnya padat menjadi cair ketika sejumlah kalor diberikan kepada balok es  energi getaran molekul-molekul bertambah dan mengakibatkan molekul-molekul itu lepas dari ikatannya. Pada akhirnya es akan mencair. Kalor untuk mencairkan es didapatka dari lingkungan sekitarnya. Misalnya, kalor yang diserap es dari air yang berfungsi sebagai lingkunganya ataupun diserap dari gelas kaca yang mendapat pemanasan langsung dari suatu pembakaran, akibatnya suhu lingkungannya turun.

2.      Kalor dapat Mengubah Suhu suatu Benda

Kalor dapat menubah suhu suatu benda misalnya dengan mencampurkan air panas dengan air dingin dalam mangkuk, pada saat kita menumpahkan air panas ke air dingin maka energi kalor mengalir dari air ke air dingin sehingga pada akhirnya kita akan mendapatkan bahwa suhu air dalam mangkuk berada diantara suhu-suhu air sebelum dicampurkan. Hali ini menunjukkan kalor dapat mengubah suhu suatu benda.

Selain itu kita juga sering jumpai dalam kehidupan sehari-hari yaitu, ketika kita mencelupkan sebuah sendok kedalam sebuah gelasyang berisi air panas. Kemudian sendok menjadi terasa panas ketika dicelupkan kedalam air panas itu terjadi karena suhu sendok lebih rendah dibandingkan dengan suhu air, energi kalor akan mengalir dari air menuju sendok sehingga suhu sendok akan naik. Pemberian kalor menyebabkan  suhu benda berubah. Makin banyak kalor yang diberikan kepada benda, maka suhu benda makin tinggi. Berarti sebanding dengan perubahan suhu, sehingga diketahui bahwa kalor (∆Q) berbanding lurus dengan massa zat (m), kenaikan suhu (∆T), dan kalor jenis zat (c). Oleh karena itu, persamaan tentang kalor dapat dituliskan sebagai berikut :

∆Q = m c ∆T

Dengan :

∆T = perubahan suhu ( C)

c = kalor jenis benda (J/kg C)

 m = massa benda (kg),

Dalam sehari-hari kita tentu pernah merebus air. Air yang tadinya terasa dingin dan sejuk setelah direbus beberapa saat akan terasa hangat dan lama-kelamaan menjadi panas. Hal tersebut dapat terjadi karena selama direbus air mendapat energi dari api yang menyala di bawah air tersebut. energi yang dihasilkan oleh nyala api akan berpindah ke air dan berubah menjadi panas dalam air. Bentuk energi yang berpindah karena perbedaan suhu disebut sebagai energi kalor. Perpindahan energi kalor selalu terjadi dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.

Jadi jika ada dua buah benda A dan B mempunyai suhu yang berbeda, dan suhu A lebih dari suhu B kemudian kedua benda tersebut  disentuhkan maka suhu A akan menurun dan suhu B akan naik hingga suhu kedua benda tersebut setimbang. Suhu air yang tadinya panas sekarang menjadi lebih dingin dan suhu air yang tadinya dingin menjadi lebih panas hal ini menunjukkan bahwa air panas melepaskan kalor dan air dingin menerima kalor dari air panas untuk menaikkan suhunya.

Tidak hanya zat cair yang dapat melepas dan menerima kalor, semua benda dapat melepas dan menerima kalor. Benda-benda yang bersuhu lebih tinggi dari lingkungannya akan cenderung melepaskan kalor, demikian juga sebaliknya benda- benda yang bersuhu lebih rendah dari lingkungannya akan cenderung menerima kalor untuk menstabilkan kondisinya dengan lingkungan di sekitarnya.

B.       PERPINDAHAN KALOR

            Perpindahan kalor merupakan ilmu yang mempelajari tentang bagaimana kalor berpindah/mengalir dari tempat yang bertemperatur tinggi ke temperatur lebih rendah jadi panas dapat berpindah karena adanya beda temperatur. Seperti yang kita ketahui bersama, bahwa yang namanya kalor itu adalah berupa suatu energi. Dimana berdasar hukum kekekalan energi, energi dapat berpindah dari suatu tempat ke tempat lain dan dapat pula berubah bentuk, dari bentuk energi satu ke energi lain.

Perpindahan Kalor adalah suatu proses perpindahan energi panas pada suatu zat atau dari satu zat ke zat lain. Kalor dapat berpindah dapat melalui suatu zat perantara maupun tanpa zat perantara. Berdasarkan daya hantar kalor, benda dibedakan menjadi dua, yaitu:

·           Konduktor, Konduktor adalah zat yang memiliki daya hantar kalor baik. Contoh : besi, baja, tembaga, aluminium, dll

·           Isolator, Isolator adalah zat yang memiliki daya hantar kalor kurang baik. Contoh : kayu, plastik, kertas, kaca, air, dll

Beras yang dimasukkan ke dalam panci berisi air dan diletakkan di atas kompor menyala, lama-kelamaan akan menjadi nasi. Api kompor mengeluarkan kalor yang berpindah dari panci ke air kemudian air menjadi panas dan memanaskan beras sehingga beras menjadi nasi. Kita telah mengetahui bahwa kalor merupakan salah satu bentuk energi dan dapat berpindah apabila terdapat perbedaan suhu. Secara alami kalor berpindah dari zat yang suhunya tinggi ke zat yang suhunya rendah. Apabila ditinjau dari perpindahannya kalor dapat berpindah dengan tiga cara, yaitu:

·           Perpindahan kalor secara konduksi (hantaran)

·           Perpindahan kalor secara konveksi (aliran)

·           Perpindahan kalor secara radiasi (pancaran)

1.    Perpindahan Kalor secara Konduksi (hantaran)

Kalor berpindah melalui benda, tetapi partikel-partikel benda itu tidak mengalami perpindahan tempat. Perpindahan kalor seperti ini disebut konduksi atau hantaran. Contoh sederhana tentang perpindahan kalor secara konduksi yaitu misalnyandi ketika kita sedang duduk di kursi paling belakang dan ingin memberikan buku kepada teman kita  yang duduk di kursi paling depan, apa yang akan kita lakukan? Tentu kita dapat memberikan buku itu kepada teman kita yang duduk di depan kita terlebih dahulu, lalu teman kita  itu lagi  memberikannya kepada teman yang duduk didepannya lagi. Demikian seterusnya sampai buku itu itu diterima oleh teman yang dituju. Buku dapat sampai ke teman yang dituju karena adanya perpindahan buku dari tangan ke tangan yang lainnya. Meskipun teman-teman yang sebagai perantara yang memberikan buku tidak ikut berpindah. Demikian pula hantaran kalor secara konduksi.

Perpindahan kalor dengan cara konduksi biasa terjadi pada jenis zat penghantar yang berbentuk padat, seperti besi saat dipanaskan lalu dipegang ujung yang lain, pasti lama kelamaan ujung besi yang  dipegang juga ikutan terasa panas, hal ini dikarenakan panas merambat pada besi tersebut, sehingga kemudian seluruh batang besi tersebut menjadi panas. Pada peristiwa perpindahan dari ujung besi kalor yang dipanaskan ke ujung besi yang dipegang molekul-molekul besi yang menghantarkan kalor tidak ikut berpindah. Perpindahan kalor seperti inilah yang dinamakan perpindahan kalor secara hantaran atau konduksi.

Perpindahan kalor pada logam yang tidak diikuti perpindahan massa ini disebut dengan perpindahan kalor secara konduksi. Jadi konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat perantara dan selama terjadi perpindahan kalor, tidak disertai dengan perpindahan partikel-partikel zat perantaranya.

Perpindahan kalor di dalam zat padat dapat dijelaskan dengan teori atom. Atom dalam zat padat yang dipanaskan akan bergetar dengan kuat. Atom atom yang bergetar akan memindahkan sebagian energinya kepada atom atom tetangga terdekat yang ditumbuknya. Kemudian atom tetangga yang ditumbuk dan mendapatkan kalor ini akan ikut bergetar dan menumbuk atom tetangga lainnya, demikian seterusnya sehingga terjadi perpindahan kalor dalam zat padat.

Syarat terjadinya konduksi kalor suatu benda adalah adanya perbedaan suhu antar dua tempat pada benda tersebut. Kalor akan berpindah dari tempat bersuhu tinggi ke tempat bersuhu rendah. Jika suhu kedua tempat tersebut menjadi sama, maka rambatan kalor pun akan terhenti.

Setiap zat tidak semuanya dapat menghantarkan kalor secara konduksi contohnya ambillah sepotong kayu, kemudian ujung yang satu dipanaskan sedang ujung kayu yang lainnya kamu pegang. Apakah ujung yang dipegang terasa panas? Ternyata tidak panas. Hal ini berarti bahwa pada kayu tidak terjadi perpindahan kalor secara konduksi.

Benda yang baik menghantarkan kalor disebut konduktor. Misalnya: besi, tembaga, aluminium, dan perak. Benda yang tidak baik menghantarkan kalor disebut isolator. Misalnya: kayu, kaca, dan plastik. Jadi konduksi itu adalah peristiwa berpindahnya kalor melalui medium (zat perantara) tanpa disertai dengan perpindahan partikel medium tersebut.

2.    Perpindahan Kalor secara Konveksi (aliran)

Konveksi adalah peristiwa berpindahnya kalor dalam suatu medium yang disertai dengan perpindahan partikel mediumnya. Perpindahan partikel medium terjadi karena adanya perbedaan suatu massa jenis. Konveksi biasa terjadi pada medium berupa zat cair dan zat gas. Perpindahan kalor secara konveksi dibedakan menjadi dua yaitu :

·                Konveksi alamiah, contohnya aliran air pada saat dimasak.

·                Konveksi paksa contohnya untu mendapatkan udara dingin dlam ruang dipasang AC atau kipas angin.

Konveksi terjadi karena perbedaan massa jenis zat. Kita dapat memahami peristiwa konveksi, antara lain:

·           Pada zat cair karena perbedaan massa jenis zat, misal sistem pemanasan air, sistem aliran air panas.

·           Pada zat gas karena perbedaan tekanan udara, misal terjadinya angin darat dan angin laut, sistem ventilasi udara, untuk mendapatkan udara yang lebih dingin dalam ruangan dipasang AC atau kipas angin, dan cerobong asap pabrik.

Perpindahan kalor secara konveksi terjadi karena adanya perbedaan massa jenis dalam zat tersebut. Perpindahan kalor yang diikuti oleh perpindahan partikel-partikel zatnya disebut konveksi/aliran. Selain perpindahan kalor secara konveksi terjadi pada zat cair, ternyata konveksi juga dapat terjadi pada gas/udara. Peristiwa konveksi kalor melalui penghantar gas sama dengan konveksi kalor melalui penghantar air. Kegiatan tersebut juga dapat digunakan untuk menjelaskan prinsip terjadinya angin darat dan angin laut.

Angin darat terjadi pada malam hari dan berhembus dari darat ke laut. Hal ini terjadi karena pada malam hari udara di atas laut lebih panas dari udara di atas darat, sehingga udara di atas laut naik diganti udara di atas darat. Maka terjadilah aliran udara dari darat ke laut. Angin darat dimanfaatkan oleh para nelayan menuju ke laut untuk menangkap ikan.

Angin laut terjadi pada siang hari dan berhembus dari laut ke darat. Hal ini terjadi karena pada siang hari udara di atas darat lebih panas dari udara di atas laut, sehingga udara di atas darat naik diganti udara di atas laut. karena kalor jenis tanah lebih kecil daripada kalor jenis air. Akibatnya, udara di atas daratan yang lebih panas akan naik ke atmosfer yang lebih tinggi karena tekanannya kecil. Ruang yang ditinggalkan udara panas itu selanjutnya diisi udara yang lebih dingin dari permukaan lautan. Aliran udara dari permukaan laut inilah yang disebut angin laut. Maka terjadilah aliran udara dari laut ke darat. Angin laut dimanfaatkan oleh nelayan untuk kembali ke darat atau pantai setelah menangkap ikan.

Selain itu berikut ini adalah contoh dari peristiwa konveksi kalor, ketika memasak air, massa air yang berada tepat di atas kompor akan
menerima kalor dan menjadi lebih panas. Air panas ini akan bergerak ke atas
hingga mencapai permukaan air karena massa jenisnya lebih kecil daripada
massa air yang lebih dingin. Akibatnya, massa air yang lebih dingin di bagian
atas akan terdesak dan bergerak turun menggantikan ruang yang sebelumnya
ditinggalkan massa air yang lebih panas. Kejadian ini berulang terus-menerus
hingga seluruh massa air di dalam panci itu mendidih.

3.    Perpindahan Kalor secara Radiasi (pancaran)

Radiasi adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Pada radiasi, kalor atau energi merambat tanpa membutuhkan zat perantara, berbeda halnya dengan konduksi atau konveksi yang selalu membutuhkan medium. Sebenarnya setiap benda memancarkan dan menyerap energi radiasi. Benda panas ada yang berpijar dan ada juga yang tidak berpijar. Kedua benda tersebut memencarkan/meradiasikan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan berbagai panjang gelombang.

Yosef Stefan menemukan bahwa laju rambat kalor secara radiasi tiap satu satuan luas permukaan benda begantung pada sifat dan suhu permukaan benda. Benda yang mengkilap lebih sukar memancarkan kalor daripada benda yang hitan dan kusam. Keadaan tersebut juga berlaku untuk benda yang menyerap kalor. Benda yang permukaannnya mengkilap lebih sukar menyerap kalor daripada benda yang permukaannnya hitam dan kusam. Jadi dapat dikatakan bahwa benda hitam dan kusam merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik.

Bagaimanakah energi kalor matahari dapat sampai ke bumi? Telah kita ketahui bahwa antara matahari dengan bumi berupa ruang hampa udara, sehingga kalor dari matahari sampai ke bumi tanpa melalui zat perantara. Perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara atau medium ini disebut radiasi/hantaran.

Radiasi adalah cara perpindahan kalor dengan pancaran tidak memerlukan zat perantara (medium), karena berupa gelombang elektromagnetik. Contoh perpindahan kalor secara radiasi: kalor dari matahari sampai ke bumi, kalor dari api unggun sampai ke badan kita, kalor dari lampu ruangan memancar ke segala arah.

Contoh lain dalam perpindahan kalor secara radiasi, misalnya pada waktu kita mengadakan kegiatan perkemahan, di malam hari yang dingin sering menyalakan api unggun. Saat kita berada di dekat api unggun badan kita terasa hangat karena adanya perpindahan kalor dari api unggun ke tubuh kita secara radiasi. Walaupun di sekitar kita terdapat udara yang dapat memindahkan kalor secara konveksi, tetapi udara merupakan penghantar kalor yang buruk (isolator). Jika antara api unggun dengan kita diletakkan sebuah penyekat atau tabir, ternyata hangatnya api unggun tidak dapat kita rasakan lagi. Hal ini berarti tidak ada kalor yang sampai ke tubuh kita, karena terhalang oleh penyekat itu. Dari peristiwa api unggun dapat disimpulkan bahwa: 

·           Dalam peristiwa radiasi, kalor berpindah dalam bentuk cahaya, karena cahaya dapat merambat dalam ruang hampa, maka kalor pun dapat merambat dalam ruang hampa;

·           Radiasi kalor dapat dihalangi dengan cara memberikan tabir/penutup yang dapat menghalangi cahaya yang dipancarkan dari sumber cahaya.

C.           Penerapan Kalor dalam Kehidupan Sehari-hari

Penerapan perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari sangat banyak, walaupun kita seringkali tidak menyadarinya. Pada malam hari bumi menjdai tidak dingin sekali karena atmosfer memainkan peran sebagai isolator sekaligus sebagai medium konveksi udara. Pada siang hari yang terik sepatu atau sandal yang kita pakai melindungi perpindahan paans dari aspal jalan, karena bahan sepatu termasuk isolator kalor.

Konsep perpindahan kalor diterapkan dalam berbagai peralatan rumah tangga, misalnya termos dan setrika. Termos dapat mencegah perpindahan kalor secara konduksi, konveksi, maupun secara radiasi. Setrika memindahkan kalor kepada pakaian yang disetrika secara konduksi..

·           Termos

Termos mempunyai dinding rangkap yang berlapis perak dibagian dalamnya. Ruang antara kedua dinding tersebut merupakan daerah hampa udara. Es disalam termos dapat bertahan lama karena tidak memperoleh kalor dari luar. Begitupula minuman yang panas akan tetap panas dalam waktu yang lama karena kalor tidak bisa keluar. Perpindahan kalor secara konduksi tidak mungkin terjadi dalam termos sebab di dalam termos terdapat kaca yang sukar menghantarkan kalor. Lagipula ruang hampa sama sekali tidak menghantarkan kalor. Perpindahan kalor secara konveksi pun tidak terjadi karena ada ruang hampa udara. Kemungkinan kalor bisa berpindah akibat radiasi, tetapi seluruhnya dipantulkan kembali oleh permukaan mengkilap. Susunan bagian termos, sehingga air panas di dalamnya tidak cepat dingin karena terdapat prinsip kerja termos air panas yaitu :

·           Dinding terbuat dari kaca (isolator) untuk mencegah terjadinya konduksi

·           Ruang vakum antara dua dinding mencegah perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi.

·           Lapisan perak mengkilap mencegah perpindahan kalor secara radiasi

·           Tutup (sumbat) terbuat dari bahan isolator agar konveksi dengan udara luar tidak terjadi

Karena termos dapat mencegah ketiga cara perpindahan kalor maka air di dalam termos tidak cepat dingin.

·           Setrika

Setrika listrik terbuat dari logam. Gagangnya terbuat dari baghan yang sukar menghantarkan panas misalnya kayu atau ebonit. Pada bagian dalam setrika terdapat elemen pemanas. Elemen pemanas merupakan kawat yang terbuat dari bahan nikelin, konstantan, atau nikrom. Kawat itu dililitkan pada lempeng mika yang merupakan isolator listrik dan tahan panas. Panas yang dihasilkan setrika listrik dipindahkan kepakaian secara konduksi.

Selain itu dalam kehidupan sehari-hari, dapat kita  jumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya memanfaatkan konsep perpindahan kalor secara konduksi, selain setrika listrik, dan termos seperti panci, wajan, solder. Alat-alat rumah tangga seperti setrika, solder, panci, wajan terdapat pegangan dari bahan isolator, karena hal ini bertujuan untuk menghambat konduksi panas supaya tidak sampai ke tangan kita. Selaian itu pemanfaatan perpindahan kalor secara konveksi dalam kehidupan sehari-hari, antara lain: pada sistem pendinginan mobil (radiator), pembuatan cerobong asap, dan lemari es.