Penentuan Kapasitas Panas Benda Padat [PDF]

Citation preview

Eksperimen Fisika I



LEMBAR PENGESAHAN LAPORAN PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA I Nama



: Muhammad Iska Sujana



NIM



:



1911014210021



Kelompok



:



VIII (Delapan)



Judul Percobaan



:



Penentuan Kapasitas Panas Benda Padat



Tanggal Percobaan



:



05 Maret 2021



Fakultas



:



Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam



Program Studi



:



S-1 Fisika



Asisten



:



Alif Antasari Noer



NILAI



Banjarbaru,



2021 Asisten



(Alif Antasari Noer)



NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



BAB 1 PENDAHULUAN 1.1



Latar Belakang Secara Umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu



benda yaitu dengan mengukur suhu benda atau dengan suatu alat yang dinamakan kalorimeter. Pertukaran energi kalor merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimeter, yang merupakan pengukuran kuantitatif dari pengukuran kalori. Ketika zat menerima kalor maka zat itu akan mengalami kenaikan suhu hingga ke tingkat tertentu yang mengakibatkan zat tersebut mengalami perubahan wujud, seperti perubahan wujud benda padat menjadi cair. Sebaliknya, jika suatu zat mengalami perubahan wujud dari cair menjadi padat maka zat tersebut akan melepaskan sejumlah kalor. Kita menggunakan istilah kalor dalam kehidupan sehari-hari seakan-akan kita tahu apa yang kita maksud. Tetapi istilah tersebut tetap digunakan secara tidak konsisten, sehingga perlu bagi kita mendefinisikan kalor secara jelas, serta menerangkan fenomena dan konsep yang berhubungan dengan kalor tersebut. Berdasarkan prinsip perpindahan kalor, banyak sekali manfaat dalam bidang pangan diaplikasikan sebagai pengering atau suatu bahan makanan karena dengan pengeringan mikroba pada makanan akan mati dan tidak tumbuh, dan sebagai penggoreng bahan makanan. Pada kehidupan sehari-hari sering ditemui beberapa kejadian yang melibatkan perpindahan kalor. Misalnya 1 gelas air dingin dicampur dengan 1 gelas air panas. Maka air panas akan melepaskan kalor sedangkan air dingin akan menerima kalor. Sehingga akan didapatkan suhu campuran yang seimbang. Bila energi panas ditambahkan pada suatu zat, maka temperatur zat itu biasanya naik. Jumlah energi panas Q yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu zat adalah sebanding dengan perubahan temperatur dan massa zat itu ( Q=C.T =mcT) dengan C adalah kapasitas panas zat, yang didefinisikan sebagai energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu zat dengan satu derajat. Panas jenis C adalah kapasitas panas persatuan massa. Kalor adalah energi yang ditransfer karena tinggi ke benda bersuhu rendah, merupakan energi yang ditransfer dari benda yang panas ke benda yang dingin, NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



maka kalor merupakan energi yang ditransfer dari suatu benda ke benda yang lain karena perbedaan suhu. Kalor tidak dapat dilihat oleh mata, tetapi pengaruhnya dapat kita rasakan atau kita ketahui pengukuran pengukuran kalor sangat berkaitan dengan kalor jenis zat. Pengukuran kalor menggunakan alat yang dinamakan kalorimeter. Kalorimeter adalah sebuah alat yang digunakan untuk menentukan atau mengukur kalor. Pengukuran itu dilakukan untuk mengetahui kalor jenis suatu zat. Jika kalor jenis suatu zat sudah diketahui, kalor yang diserap atau dilepaskan dapat dihitung dengan mengukur perubahan suhunya. Kalorimeter terdiri atas sebuah bejana logam yang kalor jenisnya sudah diketahui sebelumnya. Bejana itu ditempatkan dalam suatu wadah bejana lain dengan cara dipisahkan atau tidak terdapat kemungkinan bersinggungan secara langsung di antara kedua bejana tadi diberi isolator yang mencegah terjadinya pertukaran kalor dengan udara luar. 1.2



Tujuan Adapun tujuan praktikum ini adalah:



1.



Menentukan kapasitas panas suatu benda.



2.



Membandingkan hasil eksperimen dengan literatur.



BAB II TINJAUAN PUSTAKA Kalor merupakan suatu kata yang sangat populer dan tidak asing lagi Untuk didengar dalam kehidupan sehari-hari. Kalor itu sendiri sering kita identikkan dengan panas, suhu maupun temperatur. Perlu diketahui, energi itu sendiri tidak dapat dikatakan panas apabila ia sendiri belum mengalir atau pergi/menghilang. Kalor pertama kali ini diamati oleh A. Laouvisier yang kemudian menyatakan NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



teori kalorik. Teori kalori ini menyatakan bahwa "setiap zat atau benda mempunyai zat alir yang berfungsi untuk mentransfer panas". Jadi, Laouvisier menyatakan bahwa pada saat dua benda atau zat berbeda suhu bersentuhan, maka akan terdapat zat alir yang memindahkan panas dan menyebabkan perubahan suhu pada kedua benda tersebut (Giancoli, 2001). Kalor adalah energi yang ditransfer karena tinggi ke benda bersuhu rendah, merupakan energi yang ditransfer dari benda yang panas ke benda yang dingin, maka kalor merupakan energi yang ditransfer dari suatu benda ke benda yang lain karena perbedaan suhu. Bila energi panas ditambahkan pada suatu zat, maka temperatur zat itu biasanya naik. Jumlah energi panas Q yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu zat adalah sebanding dengan perubahan temperatur dan massa zat itu ( Q=C.T =mcT) dengan C adalah kapasitas panas zat, yang didefinisikan sebagai energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu zat dengan satu derajat. Panas jenis C adalah kapasitas panas persatuan massa (Tipler,1998). 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. Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor: 1) massa zat 2) jenis zat (kalor jenis) 3) perubahan suhu Sehingga secara matematis dapat dirumuskan: Q = m.c. (t2-t1)



(2.1)



Dimana : Q adalah kalor yang dibutuhkan (J) m adalah massa benda (kg) c adalah kalor jenis (J/kg0C) (t2 - t1) adalah perubahan suhu (0C) NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis: 1) Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu 2) Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg) Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c). Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius. H = Q/(t2 - t1)



(2.2)



Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter. c = Q/m.( t2 - t1)



(2.3)



Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru H = m.c



(2.4)



Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik. Dalam pembahasan ini hanya akan diulas tentang hubungan energi listrik dengan energi kalor. Alat yang digunakan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah ketel listrik, pemanas listrik, dll. Besarnya energi listrik yang diubah atau diserap sama dengan besar kalor yang dihasilkan. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan. W=Q



(2.5)



Untuk menghitung energi listrik digunakan persamaan sebagai berikut : W = P.t



(2.6)



Keterangan : W adalah energi listrik (J) P adalah daya listrik (W) t adalah waktu yang diperlukan (s) Bila rumus kalor yang digunakan adalah Q = m.c.(t2-t1) maka diperoleh persamaan ; P.t = m.c.(t2-t1). Yang perlu diperhatikan adalah rumus Q disini NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



dapat berubah-ubah sesuai dengan soal. Menurut asas Black apabila ada dua benda yang suhunya berbeda kemudian disatukan atau dicampur maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran ini akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Secara matematis dapat dirumuskan : Q lepas = Q terima



(2.7)



Yang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh : Q lepas = Q terima m1.c1.(t1-ta) = m2.c2.(ta-t2) ……



(2.8)



Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asasa Black adalah pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (t1-ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (ta-t2). Dan rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan. Macam-macam Cara Perpindahan Panas: a. Radiasi Radiasi adalah perpindahan panas tanpa zat perantara. Contoh paling mudah dari perpindahan panas secara radiasi adalah pancaran sinar matahari. Matahari memancarkan panasnya sehingga sampai ke permukaan bumi melalui ruang hampa. Di ruang hampa tidak ada zat yang dapat dilalui dan juga tidak ada zat yang dapat mengalir. Panas matahari tersebut sampai ke bumi secara langsung atau secara pancaran tanpa melalui zat perantara. b. Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas karena terjadinya perpindahan zat. Peristiwa konveksi atau aliran zat terjadi pada perubahan suhu suatu zat. Contohnya adalah air yang sedang direbus. Zat cair dan gas yang terkena panas maka molekulmolekulnya bertambah besar dan beratnya tetap, sehingga akan bergerak ke atas. Gerakan ke atas ini akan diikuti oleh gerakan zat lain secara terus menerus sehingga terjadi aliran zat karena panas. Dari peristiwa aliran inilah, maka panas dapat merambat secara konveksi. c. Konduksi NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



Konduksi adalah perpindahan panas melalui benda padat. Benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik disebut konduktor. Pada umumnya, konduktor terbuat dari logam. Benda yang sukar menghantarkan panas disebut isolator. Menurut Wikipedia, pada peristiwa konduksi, panas mengalir melalui molekulmolekul zat tanpa memindahkan atau menggerakkan molekul zat itu. Benda padat memiliki kemampuan merambatkan panas secara konduksi yang berbeda-beda. (Muhsin, 2017). Kalor reaksi merupakan banyak-nya kalor yang diserap atau dilepas-kan saat terjadi reaksi kimia. Di laboratorium, penentuan kalor reaksi dilakukan dengan alat yang disebut kalorimeter. Kalor reaksi dapat ditentukan pada dua keadaan, yaitu pada tekanan tetap atau volume tetap. Kalor reaksi pada tekanan tetap berbeda dengan kalor reaksi volume tetap, kalor reaksi pada tekanan tetap memperhitungkan kerja tekanan-volume, sedangkan kalor reaksi pada volume tetap tidak memperhitung-kannya. Kalor reaksi pada tekanan tetap disebut entalpi (H). Kerja tekanan-volume dapat teridentifikasi dari tekanan dan perubahan volume. Kalor reaksi pada tekanan tetap untuk reaksi yang tidak menghasilkan gas memiliki kalor reaksi yang hampir sama dengan kalor reaksi pada volume tetap, dikarenakan perubahan volume untuk reaksi yang hanya melibatkan padatan dan cairan sangat kecil. Berbeda halnya dengan kalor reaksi untuk reaksi yang melibatkan gas, perubahan volume gas harus diperhitungkan. Penentuan kalor reaksi pada tekanan tetap untuk reaksi yang menghasilkan gas dilakukan dengan memantau perubahan suhu dan perubahan volume gas selama reaksi terjadi (Manika,2016). Kapasitas kalor (heat capacity) adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar . Secara matematis dituliskan: Q C = ----------



(2.9)



T Keterangan : C = Kapasitas kalor (J/oC), Q = Kalor yang diperlukan (J), dan T = Suhu (oC) NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



Jika benda dipanaskan maka benda itu mendapat tambahan tenaga berbentuk kalor dan menyebabkan sejumlah akibat, yaitu berubah wujud, berubah dimensi (memuai) atau suhunya bertambah. Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda bergantung pada beberapa faktor berikut ini. 1. Massa Benda Untuk jenis benda yang sama tetapi massanya berbeda kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu yang sama ternyata besarnya berbeda. Artinya, semakin besar massa benda, semakin besar pula kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda tersebut. Semakin besar massa benda maka kalor yang diterima untuk didistribusikan guna menambah tenaga gerak molekul atau atom menjadi lebih banyak. Jadi semakin besar massa benda memerlukan lebih banyak kalor untuk menaikkan suhu bila dibanding benda bermassa kecil. Hal ini ditandai oleh lebih lambatnya kenaikan suhu pada benda bermassa besar. Dengan demikian, jumlah kalor yang diperlukan sebanding dengan massa bendanya. 2. Jenis Benda Untuk jenis benda yang berbeda tetapi massanya sama, kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu yang sama ternyata besarnya berbeda. Benda tertentu memiliki massa jenis tertentu sehingga jumlah atom atau molekul per gramnya juga tertentu. Energi untuk menaikkan suhu 1oC pada 1 kg air sebesar lima kali dibanding aluminium. Dijelaskan bahwa air memiliki kapasitas untuk menyerap dan menyimpan kalor lima kali lebih besar dibanding aluminium. Dengan demikian, jumlah kalor yang diperlukan bergantung pada jenis bendanya. 3. Kenaikan Suhu Jumlah kalor yang diberikan besarnya sebanding dengan kenaikkan (perubahan) suhu benda. Artinya, makin banyak kalor yang diberikan kepada benda, semakin besar pula kenaikan suhu benda tersebut. Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 10oC senilai dengan kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1oC pada massa dan jenis benda yang sama. Jelaslah pada peristiwa kenaikan suhu benda karena benda mendapat tambahan kalor, mengenal tetapan baru yang bergantung pada jenis benda. Tetapan itu disebut kapasitas kalor jenis. Jadi, banyaknya kalor (Q) yang diperlukan untuk menaikkan suhu



NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



suatu benda bergantung pada massa benda (m), kalor jenis benda (c), dan perubahan suhu (T). (Yanti dkk, 2016). Kalor menurut Zemansky dan Dittman (1986) diilusrasikan bila dua sistem yang temperaturnya berbeda-beda dipersatukan bersama, maka temperature akhir yang dicapai oleh kedua sistem tersebut berada diantara dua temperature permulaan tersebut. Perubahan temperatur yang lazim sebagai perpindahan ‘sesuatu’ dari sebuah benda pada suatu temperatur yang lebih tinggi ke sebuah benda pada temperature yang lebih rendah, dan ‘sesuatu’ ini dinamakan kalor. Menurut buku Saripudin (2009) kalor dapat didefinisikan sebagai proses transfer energi dari suatu zat ke zat lainnya dengan diikuti perubahan temperatur. Sehingga dapat disimpulkan kalor merupakan suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan benda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya. Kalor merupakan bentuk energi yang terjadi akibat adanya perubahan suhu. Jadi perubahan kalor pada suatu reaksi dapat diukur melalui pengukuran perubahan suhu yang terjadi Q=mxcx T



(2.10)



q = perubahan kalor (J) m = massa zat (g) c = kalor jenis zat (J g-1K-1) T = perubahan suhu (K) T  (Kurniawan, 2017). Kalor jenis merupakan karakteristik termal suatu benda yang menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu zat sebesar 1 kalori. Berikut nilai kalor jenis dari beberapa bahan. Tabel 2.1 Kalor jenis bahan (pada 20 0C, 1 atm)



NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



Kalor yang dilepaskan oleh objek sebanding dengan variasi suhu objek tersebut, dengan asumsi bahwa perpindahan panas cukup lambat untuk mempertahankan keseragaman suhu di dalam objek. Q = - mc T (2.11)  Dengan m adalah massa objek, c adalah kalor jenis objek. Aliran energi dapat dinyatakan sebagai berikut. H = Dq / Dt = -mc dT(t)/ dt



(2.12)   



Tanda negatif menunjukkan bahwa suhu berkurang ketika energi mengalir dari tubuh objek ke luar (yaitu, ketika H > 0). Sir Issac Newton merumuskan hukum pendinginan sambil merumuskan eksperimen untuk menciptakan skala suhu yang kemudian disebut dengan Skala Newton. Skala Newton memiliki kisaran suhu dari 0 0C hingga 600 0C. Hukum pendinginan newton menyatakan bahwa laju perubahan suhu sebuah benda berbanding lurus dengan perbedaan suhu zat tersebut dengan suhu lingkungannya. Tingkat perubahan suhu bervariasi dan menurun seiring waktu. Setelah waktu yang cukup lama, suhu objek dan suhu lingkungan mencapai kesetimbangan termal dan pertukaran panas berhenti. Laju kehilangan panas d Q/ dt dari objek ke lingkungan diasumsikan sebanding dengan perbedaan suhu antara suhu permukaan objek T dan suhu lingkungan T0 (Widyastuti dkk, 2019).



NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)



Eksperimen Fisika I



Zemansky, M. W. & R. H. Dittman. 1986. Kalor dan Termodinamika Edisi Keenam. Bandung: ITB Saripudin, A., D. R. K., & A. Suganda. 2009. PRAKTIS BELAJAR FISIKA 1 UNTUK SMA/MA KELAS X. Jakarta: pusat perbukuan departemen pendidikan nasional



NAMA



: M. ISKA SUJANA



NIM



: 1911014210021



KELOMPOK : VIII (DELAPAN)