PERPINDAHAN
KALOR
a.
Perpindahan Kalor
Dalam kehidupan
sehari-hari perpindahan kalor sangat diperlukan, namun dalam hal tertentu kita
justru memerlukan alat yang dapat memcegah perpindahan kalor. Disaat kita
memasak air, sudah pasti kita memerlukan perpindahan kalor dari api ke panci
sehingga dapat memanaskan air daalm panci tersebut. Sebaliknya, untuk dapat
mempertahankan panas air, kita memerlukan alat yang bisa mencegah perpindahan
kalor dari air ke udara, yaitu termos.
Secara alamiah, kalor
selalu berpindah dari tempat atau benda yang bersuhu lebih tinggi ke tempat
atau benda yang bersuhu lebih rendah. Kalor tidak pernah berpindah dalam arah
sebaliknya dengan sendirinya atau secara spontan. Kalor dapat berpindah dari
tempat atau benda yang bersuhu lebih rendah ke tempat atau benda yang bersuhu
lebih tinggi jika menggunakan alat tertentu, misalnya lemari es (refrigerator). Dengan bantuan freon,
sebuah lemari es dapat memindahkan kalor dari benda yang bersuhu lebih rendah,
seperti daging, buah-buahan, sayuran dan air ke benda yang bersuhu lebih
tinggi, yaitu udara. Perpindahan kalor dapat terjadi dengan tiga cara, yaitu
konduksi, konveksi, dan radiasi.
Kalor berpindah dari
bena yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Jika kita memegang es, maka
panas dari tangan akan berpindah ke es, sehingga es mencair.
Salah satu cara
perpindahan kalor adalah kondoksi. Konduksi
merupakan perpindahan kalor melalui bahan dengan kontak langsung. Kalor
dipindahkan ketika partikel-partikel bahan bergerak dengan kecepatan yang
berbeda. Ketika partikel yang bergerak cepat bertumbuhkan dengan
partikel-partikel yang bergeraka lambat, maka akan terjadi perpindahan kalor
dari partikel yang bergerak cepat ke partikel yang bergerak lambat.
Konduksi kalor dapat
terjadi pada zat padat, cair dan gas, tetapi zat padat lebih baik dalam
mengkonduksi kalor dari pada zat cair dan gas. Meskipun demikian zat padat
mempunyai kemampuan yang berbeda dalam mengkonduksi kalor. Logam mempunyai
elektron bebas yang dapat bergerak bebas, yang dapat memindahkan energi kinetik
ke partikel tetangganya. Perak tembaga dan aluminium merupakan konduktor panas
yang baik, sedangkan kayu, plastik, kaca dan serat gelas merupakan konduktor
kalor yang buruk.
A.1
Konduksi pada Zat Padat
Konduksi
adalah
perpindahan kalor melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel
penyusummya.
Perpindahan kalor
secara konduksi berlangsung pada benda padat. Misalnya, jika kamu memegang
penggaris besi yang salah satu ujungnya dipanaskan, maka ujung penggaris besi yang
kamu pegang lama-kelamaan terasa panas(gambar a). Ini berarti kalor berpindah
melalui penggaris besi dari ujung yang panas ke ujung yang dingin. Selama
perpindahan kalor terjadi, tidak ada partikel besi yang ikut berpindah. Api
mula-mula memberikan energi panas kepada bagian penggaris besi yang terkena api
sehingga partikel-partikel besi pada bagian itu bergetar dengan hebat dan
membentur partikel lain di sekitarnya. Tumbukan antar partikel terus berlanjut
ke seluruh bagian penggaris besi. Tumbukan itu menghasilkan energi panas yang
kamu rasakan pada bagian penggaris besi yang kamu pegang.
(gambar a)
Dengan
A= luas penampang
lintang, l= jarak antara kedua ujung yang
mempunyai suhu T1 dan T2, k = konstanta pembanding yang disebut konduktivitas
termal
Pada umumnya logam
merupakan penghantar kalor yang baik, seperti terlihat pada tabel berikut:
Nilai konduktivitas
termal beberapa zat
Bahan
|
Konduktivitas panas
J/s m K
|
Perak
Tembaga
Aluminium
Baja
Batu bara
Air
Asbes
Kayu
Udara
|
420
380
200
40
0,84
0,56
0,16
0,08-0,16
0,023
|
Bahan yang memiliki
nilai konduktivitas panas rendah menunjukkan hantaran kalornya rendah, dengan
kata lain bahan tersebut merupakan isolator kalor.
Contoh
soal
Hitung kecepatan aliran
kalor melalui jendela kaca dengan luas kaca 2,0 m x 1,5 m dan tebal 3,2 mm,
jika temperatur pada permukaan dalam dan luar 15,0*C dan 14,0*C. Nilai konstanta
pembanding (k = 0,884 J/s K)
Diketahui:
dinyatakan Q = ?
dinyatakan Q = ?
jawab:
A.2
Konveksi pada Zat Cair dan Gas
Konveksi
adalah
perpindahan kalor melalui suatu zat yang disertai perpindahan partikel zat
tersebut.
Perpindahan kalor
secara konveksi dapat terjadi bila suatu zat mengalami pemanasan. Pemanasan
pada zat menyebabkan perbedaan massa jenis antara bagian zat yang panas dan
bagian zat yang dingin. Bagian zat yang panas mengalami pemuaian sehingga
memiliki massa jenis lebih kecil dibandingkan bagian zat yang dingin.
Perpindahan kalor secara konveksi dapat terjadi pada zat cair dan gas. Laju aliran kalor
Ketika sebuah benda panas memindahkan kalor ke fluida sekitarnya secara
konveksi adalah sebanding dengan luas permukaan A yang bersentuhan dengan
fluida dan beda suhu ∆T antara benda dan fluida secara matematis dinyatakan
oleh persamaan
Dengan h adalah koefisien konveksi yang
besarnya bergantung pada bentuk dan kedudukan permukaan. Nilai h diperoleh dari percobaan.
Contoh
soal
Permukaan dalam suatu
dinding rumah dijaga bersuhu tetap 30*C pada saat udara luar 20*C. Berapa
banyak kalor yang hilang karena konveksi alami pada dinding berukuran 8,00 m x
4,00 m selama sehari. Di anggap koefisien kinveksi rata-rata 3,5 J/s m*2 K.
Ditanyakan: Q ?
Jawab:
a.
Konveksi dalam Zat Cair
Contoh dari konveksi dalam zat cair
antara lain, pemanasan air dalam tabung bagian bawah menyebabkan air di tempat
itu menjadi lebih panas dibandingkan air pada tabung bagian atas. Air yag lenih
besar memiliki volume yang lebih besar akibat mengalami pemuaian sehingga air
itu memiliki massa jenis yang lebih kecil. Air yang dingin pada tabung bagian
atas berpindah ke tabung bagian bawah karena memiliki massa jenis yang lebih
besar. Sebaliknya, air panas pada tabung bagian bawah akan naik ke atas.
Contoh lain peristiwa konveksi zat cair
misalnya pemanasan air dalam ketel sebagian terjadi karena konduksi melalui
dinding ketel, sebagian lagi karena konveksi yang dialami air itu sendiri.
b.
Konveksi dalam Gas
Zat cair dan gas berbeda dengan zat
padat. Zat cair dan gas dapat mengalir. Partikel-partikel zat yang dapat
mengalir disebut zat alir. Kalor dipindahkan oleh zat cair dan gas secara
konveksi.
Konveksi merupakan perpindahan kalor
oleh partikel-partikel yang bergerak. Bagaimana perbedaan perpindahan kalor
secara knduksi dan konveksi? Pada perpindahan kalor secara konduksi, kalor
dipindahkan oleh partikel yang satu ke partikel yang lain, tetapi
partikel-partikel tersebut tidak ikut berpindah. Sedangkan konveksi merupakan
perpindahan kalor oleh partikel-partikel yang bergerak dari tempat satu ke
tempat lain, dan partikel-partikel tersebut ikut pindah. Ketika kalor
ditambahkan ke dalam zat cair, padat dan gas partikel-partikelnya mulai
bergerak cepat. Tetapi, partikel-partikel zat cair dan gas lebih bebas bergerak
dibandingkan partikel-partikel zat padat. Selanjutnya, partikel-partikel
tersebut bergerak cepat dan terlepas, sehingga dikatakan zat alir (cair dan
gas) memuai. Contoh pemuaian adalah pemuaian udara dalam balon sehingga balon
mengembang.
Peristiwa konveksi lebih cepat terjadi
dalam gas dibandingkan dalam zat cair. Dengan demikian, konveksi pada udara
lebih cepat terjadi daripada konveksi pada air. Hal ini disebabkan gas
mengalami pemuaian yang lebih besar apabila dipanaskan. Walaupun gas termasuk
penghantar/ konduktor kalor yang buruk, tetapi gas masih dapat menghantarkan
kalor secara konveksi.
Konveksi udara bisa dijumpai pada angin
laut, angin darat, cerobong asap pabrik, dan ventilasi.
1. Angin
laut adalah angin yang bergerak dari laut ke darat. Angin laut terjadi pada
siang hari. Pada siang hari, udara di atas daratan lebih cepat panas daripada
di atas lautan. Akibatnya, massa jenis udara di atas daratan menjadi lebih
kecil dibandingkan udara di atas lautan. Udara di atas daratan naik digantikan
udara di atas laut. Akhirnya udara mengalir dari laut ke darat.
A.3 Radiasi
Radiasi
adalah
perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara.
Perpindahan panas secara radiasi hanya
terjadi dalam gas dan ruang hampa udara. Jika kita berdiri di dekat api unggun,
perapian, tungku pemanas, dan semacamnya, maka kita akan mrasakan panas. Panas
yang kita rasakan tidak dihantarkan melalui udara karena udara termasuk
konduktor kalor yang buruk. Panas tersebut juga tidak dipindahkan secara
konveksi karena udara yang panas akan mengalir ke atas, bukan ke samping.
Demikian pula panas sinar matahari tidak dapat mencapai permukaan bumi secara
konduksi ataupun konveksi.
Perpindahan panas matahari hanya terjadi
dengan cara radiasi. Perpindahan panas dengan cara radiasi bisa melalui ruang
hampa udara, artinya berlangsung tanpa perlu zat perantara. Pancaran kalor
radiasi ini berupa pancaran gelombang elektromagnetik. Perpindahan kalor secara
radiasi ini dapat dihalangi oleh tabir. Misalnya, ketika tubuh kita terpapar
terik sinar matahari kita berusaha menghalangi oaoaran radiasinya dengan payung
atau topi.
Bagaimana cara mengetahui daya pancar
kalor suatu benda? Daya pancar kalor suatu benda dapat diketahui dengan alat
yang disebut termoskop. Dengan alat ini dapat dibuktikan bahwa benda yang
permukaannya hitam memancarkan dan menyerap kalor radiasi lebih baik daripada
benda yang permukaannyaputih mengkilap. Permukaan hitam dan kusam merupakan
penyerap dan pemancar kalor radiasi yang baik. Itulah sebabnya pada siang hari
yang terik sebaiknya kita tidak memakai pakaian berwarna gelap karena warna
gelap menyerap kalor lebih banyak sehingga tubuh kita kepanasan. Sebaliknya,
permukaan yang putih dan mengkilap merupakan penyerap dan pemancar kalor
radiasi yang buruk sehingga pada siang hari yang panas lebih nyaman jika kita
mengenakan pakaian berwarna terang, misalnya warna putih.
Energi radiasi yang dipancarkan oleh
suatu permukaan per satuan waktu luas, bergantung pada sifat permukaan serta
suhunya. Pada suhu rendah radiasi yang dipancarkan kecil.
Kecepatan sebuah benda meradiasikan
energi sebanding dengan perangkat empat suju Kelvin T . Kecepatan radiasinya juga sebanding dengan luas A dari benda
yang memancarkannya. Secara matematis ditulis:
Persamaan di atas disebut persamaan
Stefan-Boltzmann. Untuk permukaan benda jhitam sempurna, banyak kalor yang
dipancarkan adalah
Benda hitam sempurna adalah benda yang
dapat memacarkan atau menyerap kalor secara sempurna. Akan tetapi dalam
kenyataannya tidak ada benda hitam sempurna. Oleh karena itu, persamaan radiasi dapat ditulis:
Dengan
E
=
laju pancaran kalor tiap satuan luas
Q
= kalor
yang dipancarkan
t = waktu (lama pancaran)
T
= suhu
mutlak
σ=
konstanta
Stefan-Boltzman
e= emisivitas,
merupakan bilangan yang menyatakan karakteristik materi memiliki nilai 0 sampai
1.
Permukaan yang sangat
hitam mempunyai e mendekati 1,
sementara permukaan yang mengkilat mempunyai e mendekati 0. Jika nilai e=0,
benda tidak dapat memancarkan atau
menyerap kalor sama sekali. Permukaan mengkilat memncarkan radiasi yang lebih
kecil, tetapi juga menyerap sedikit radiasi yang mengenainya (sebagian besar
dipantulkan). Benda hitam dan yang sangat gelap menyerap hampir seluruh radiasi
yang menimpanya. Maka dapat kita katakan bahwa penyerap yang baik juga
merupakan pemancar yang baik.
Dengan:
A = luas permukaan, e = emisivitas
benda pada suhu T1, T2 = suhu sekelilingnya.
Karena kedua benda dan
sekelilingnya meradiasikan energi, ada transfer energi total dari satu benda ke
benda yang lainnya kecuali keduanya mempunyai suhu sama.
Dari persamaan di atas
jika T1 lebih besar dari T2 (dari benda ke sekelilingnya atau
lingkungannya), maka benda menjadi dingin. Sebaliknya yang akan terjadi jika T1 lebih keil dari T2.
Pemanasan benda dengan
radiasi Matahari tidak dapat dihitung dengan rumus di atas, tetapi dihitung
dengan menggunakan fakta bahwa sekitar 1350 j energi Matahari menimpa Bumi per
detik per meter persegi luas yang membentuk sudut siku-siku terhadap berkas
sinar Matahari. Angka 1350W/m*2 disebut konstanta Matahari, atmosfer
menyerap 70% energi ini sebelum sampai ke permukaan Bumi, saat udara sangat
cerah bisa mencapai 1000 W/m*2.
Sebuah benda yan
emisivitasnya e dengan luas permukaan
A yang menghadap Matahari menyerap kalor dengan kecepatan:
Di
mana ϴ adalah sudu antara berkas
sinar Matahari dan garis yang tegak lurus permukaan. Untuk itulah mka radiasi
Matahari lebih banyak memanasi Bumi pada waktu tengah hari, di mana posisi
Matahari persis di atas kepala kita.
Contoh
soal
Sebuah
benda hitam sempurna mempunyai suhu 27*C. Jika luas permukaanya 3 m*2 berapakah kalor yang
dipancarkan selama sat menit?
Diketahui
T = 27* C = 300 K
A =
3 m*2
t = 1
menit = 60 sekon
Ditanyakan Q = ?
Jawab:
b.
Konduktor DAn isolator
Di alam
ini terdapat benda-benda yang sangat baik dalam menghantarkan kalor, ada pula
yang buruk dalam menghantarkan kalor. Daya hantar kalor suatu zat adalah
kemampuan zat itu untuk menghantarkan kalor. Zat yang berdaya hantar kalor
tinggi lebih mudah menghantarkan panas. Berdasarkan daya hantar kalornya, zat
dibedakan menjadi dua, yaitu konduktor dan isolator.
Konduktor
Konduntor panas
adalah benda-benda yang baik dalam menghantarkan kalor. Contoh bahan konduktor
panas antara lain tembaga, aluminium, besi dan silikon.
Contoh
pemanfaatan sifat konduktor dalam kehidupan sehari-hari:
a) Konduktor
yang baik seperti aluminium, tembaga, dan besi digunakan untuk membuat perabot
dapur (seperti panci, penggorengan, ceret, dll), setrika dan radiator. Pada
alat-alat ini kalor dipindahkan dengan cepat.
b) Solder
dibuat dari bahan tembaga atau aluminium dengan maksud agar saat diberi kalor ,
kalor tersebut berpindah dengan cepat sehingga timah solder segera meleleh dan
tidak perlu menunggu lama untuk mendapatkan panas ke batang timah.
c) Alat
pemanggang roti dan tempat pembakar sate terbuat dari bahan tembaga atau
aluminium.
Isolator
Isolator (penyekat)
panas adalah benda-benda yang tidak baik dalam mengahantarkan kalor. Contoh
isolator adalah plastik, karet, gelas, air, wol, udara dan gabus.
Contoh
pemanfaatan bahan isolator antara lain:
a) Tangkai
pegangan pada peralatan memasak atau pegangan setrika dibuat dari kayu atau
plastik yag sukar menghantarkan kalor. Dengan demikian, pegangan itu tidak
terasa panas ketika dipegang.
b) Penutup
poci teh diisi dengan kapuk atau karet busa guna menahan kalor dari luar poci.
c) Saat
kita tidur di lantai beralaskan tikar atau permadani, kalor dari tubuh kita
tertahan oleh rongga-rongga udara pada tikar atau permadani sehungga kita tidak
merasa dingin.
d) Hewan-hewan
di daerah dingin mempunyai bulu tebal yang mengandung banyak rongga udara di
dalamnya sehingga tubuh hewan itu tetap hangat.
c.
Penerapan konsep perpindahan kalor dalam kehidupan
sehari-hari
Banyak
peristiwa dan peralatan sehari-hari yang memanfaatkan konsep perpindahan kalor
misalnya sepeti diuraikan berikut ini.
1) Termos merupakan peralatan rumah tangga yang
dapat mencegah perpindahan kalor secara konduksi, konveksi, maupun radiasi.
Termos mempunyai dinding rangkap yang berlapis perak di bagian dalamnya. Ruang
antara kedua dinding tersebut merupakan daerah hampa udara. Es di dalam termos
dapat bertahan lama karena tidak memperoleh kalor dari luar. Begitu pula
minuman yang panas akan tetap panas dalam waktu yang lama karena kalor sulit
keluar dari termos. Perpindahan kalor secara konduksi tidak mungkin terjadi di
dalam termos sebab di dalam termos terdapat kaca yang sukar menghantarkan
kalor. Perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi terhambat oleh ruang
hampa udara. Perpindahan kalor secara radiasi juga tidak dapat terjadi karena
hampir seluruh kalor dipantulkan kembali oleh permukaan yang mengkilap.
2) Setrika memindahkan kalor ke pakaian yang
disetrika secara konduksi. Setrika listrik terbuat dari logam. Gagang setrika
terbuat dari kayu, plastik atau ebonit sehingga sukar menghantarkan panas. Pada
bagian dalam setrika terdapat elemen pemanas. Elemen pemanas terbuat dari kawat
yang dililitkan pada lempeng mika. Kawat ini merupakan kawat halus yang terbuat
dari bahan nikelin, konstantan, atau nikrom. Panas yang dihasilkan setrika
listrik dipindahkan ke pakaian dengan cara konduksi.
3) Pada waktu hari panas, benda-benda yang terbuat
dari logam terasa lebih panas jika dibandingkan dengan benda-benda yang terbuat
bukan dari logam, dalam hal ini terjadi aliran kalor ke tangan kita. Karena
logam merupakan konduktor panas yang baik, maka kalor juga mengalir dari
bagian-bagian yang tidak disentuh. Jadi, kalor yang sampai ke tangan kita cukup
banyak sehingga terasa panas. Tetapi kalau yang disentuh itu bukan logam, kalor
yang mengalir ke tangan kita hanya dari bagian-bagian yang disentuh saja
sehingga terasa tidak sepanas logam.
4) Pada waktu hari dingin, benda-benda yang
terbuat dari logam terasa lebih dingin daripada benda bukan logam, padahal jika
diukur suhunya ternyata sama. Ini karena saat logam itu kita sentuh, kalor
mengalir dari tangan kita ke logam. Logam segera menyebarkan kalor itu ke
seluruh bagiannya sehingga lebih banyak lagi kalor dari tangan kita yang
mengalir ke logam. Karena itulah tangan kita merasakan dingin. Tetapi, jika
kita sentuh benda bukan logam, maka kalor yang berpindah dari tangan kita ke
benda akan memanaskan bagian bagian benda yang kita sentuh saja, kalor tersebut
tidak menyebar. Segera suhu benda yang kita sentuh akan sama dengan suhu badan
kita sehingga tangan kita merasa tidak begitu dingin.
5) Pada tungku-tungku pemanas yang menggunakan
kayu bakar selalu dibuat cerobong yang tinggi. Selain untuk mengeluarkan asap,
cerobong itu berfungsi juga untuk mengalirkan udara. Karena pembakaran di bawah
cerobong maka udara di dalamnya menjadi panas dan memuai. Pemuaian menyebabkan
massa jenis udara menjadi kecil sehingga udara naik ke atas. Udara yang di
panaskan di bagian bawah mudah naik ke atas melalui cerobong. Selanjutnya,
bagian atas cerobong menjadi hangat kembali sehingga udara panas dari bawah
lebih mudah untuk naik ke bagian atas cerobong. Dengan demikian, udara lebih
cepat mengalir dalam cerobong dan udara yang masuk ke cerobong bagian bawah
juga menjadi lebih cepat.
Latihan Soal
I.
Pilihlah jawaban yang
benar.
1. Gagang
setrika terbuat dari kayu atau plastik. Hal ini dimaksudkan agar…
a. Tidak
tersengat aliran listrik
b. Harga
setrika lebih murah
c. Setrika
menjadi panas
d. Gagang
setrika tidak panas
2. Angin
laut dan darat merupakan contoh perpindahan kalor secara…
a. Konveksi
b. Radiasi
c. Konduksi
d.
Hantaran
3. Perbedaan
antara warna hitam dan warna putih berdasarkan radiasinya adalah…
a. Warna
hitam menyerap kalor, warna putih memantulkan kalor
b. Warna
hitam menahan kalor, warna putih menyerap kalor
c. Warna
hitam memantulkan kalor, warna putih menyerap kalor
d. Warna
hitam memantulkan kalor, warna putih menahan kalor
4. Perpindahan
kalor yang terjadi karena adanya perbedaan massa jenis zat disebut…
a. Konveksi
b. Konduksi
c. Induksi
d. Radiasi
5. Berikut
ini merupakan contoh peristiwa konveksi kalor dalam kehidupan sehari-hari, kecuali…
a. Terjadinya
angin lembah
b. Asap
pabrik mengalir ke atas
c. Sirkulasi
udara dalam kamar
d. Panas
Matahari sampai Bumi
6. Dinding
termos dibuat rangkap dua dan ruang di antaranya hampa udara. Hal ini
dimaksudkan agar…
a. Tidak
terjadi perpindahan kalor secara konveksi
b. Ruang
di termos bersuhu tetap
c. Termos
menjadi lebih ringan
d. Suhu
udara luar tidak mempengaruhi isi termos
7. Pada
saat memanaskan air, panas yang merambat pada wadah pemanas merupakan
perpindahan kalor secara…
a. Pancaran
b. Konduksi
c. Radiasi
d. konveksi
8. Perpindahan
kalor secara konduksi terjadi akibat…
a. Perambatan
kalor pada partikel-partikel zat
b. Pancaran
kalor tanpa adanya zat perantara
c. Adanya
perbedaan berat jenis
d. Adanya
perbedaan suhu pada zat
9. Selimut
biasanya terbuat dari bahan tebal karena selimut merupakan…
a. Konduktor
untuk mencegah perpindahan kalor
b. Isolator
untuk mencegah perpindahan kalor
c. Alat
yang harus dipakai untuk tidur
d. Penghalang
kalor yang baik
10. Pada
bola lampu pijar yang dihamparkan, panas dari kawat pijar lampu tersebut
mengalir ke udara luar secara…
a. Konveksi
b. Konduksi
c. Radiasi
d. Turbulensi
II.
Jawablah pertanyaan
berikut dengan benar.
1. Apa
perbedaan konduktor dan isolator panas? Berilah masing-masing contohnya.
2. Mengapa
pegangan setrika tidak terbuat dari logam?
3. Jelaskan
proses terjadinya angin laut dan sebutkan kapan terjadinya.
4. Buktikan
bahwa perpindahan kalor pada api unggu termasuk perpindahan kalor secara
radiasi.
