Pengertian Kalor dan Internal Energi Zat

AhmadDahlan.NET – Ketika kita memasukkan sebongkah es ke dalam segelas air, Air yang tadinya berada pada suhu kamar perlahan-lahan akan mengalami penurunan suhu sampai akhirnya suhu antar es dan air sama. Hal ini terjadi karena adanya perpindahan kalor dari air yang suhunya lebih tinggi ke dalam es. Perpindahan terjadi secara spontan ketika ke dua benda saling bersentuhan satu sama lain.

Karena kita mengaosiasikan suhu tinggi itu lebih “panas”, maka kalor juga terkadang disebut sebagai energi panas namun lebih spesifik ke energi yang mengalir.

Pengertian Kalor

Kalor adalah energi yang dipindahkan (dialirkan) antaar dua buah benda yang memiliki suhu yang berbeda. Proses perpindahan energi terjadi karena perbedaan rata-rata energi kinetik dari setiap materi penyusun dari benda yang saling bertukar kalor.

Kalor akan berpindah dari benda dengan temperatur yang tinggi ke benda yang temperatur yang lebih rendah secara spontan sampai akhirnya suhu kedua benda tersebut sama. Pada kondisi ini tidak akan lagi terjadi perpindahan kalor dan kondisi ini disebut sebagai kesetimbangan termal.

A. Internal Energi dan Suhu

Energi internal dari sebuah zat adalah total dari energi kinetik dari melokul-molekul penyusunnya. Energi ini bergantung dua hal yakni suhu benda (rata-rata energi kinetik setiap molekul) dan jumlah zat penyusun zat itu sendiri.

Dengan demikian bisa disimpulkan jika sangat memungkinkan jika ada buah benda yang memiliki energi internal yang sama meskipun suhunya berbeda. Misalkan Benda A dan B memiliki internal energi yang sama akan tetapi benda A memiliki suhu yang lebih rendah dari benda B. Dengan demikian, maka Benda A pasti memiliki total energi dari jumlah zat penyusunnya lebih tinggi dibandingkan dengan dengan benda B.

Pada saat duah benda saling bersentuhan satu sama lain, hanya terjadi pertukuran energi panas dari perbedaan suhu antara benda A dan benda B, sampai akhirnya kedua benda tersebut memiliki rerata energi kinetik energi yang sama dan ditandai dengan suhu yang sama.

B. Satuan Kalor

Kalor diamati melalui banyaknya energi yang berpindah dalam satuan Kalori. Satuan ini distandarisasi melalui besar energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebanyak 1^oC dari suhu 14,5^oC ke 15,5^oC. Titik ini dipilih karena terdapat perbedaan antara energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu air sebanyak 1^oC dari setiap titiknya.

Mudahnya seperti ini, energi yang dibutuhkan air untuk naik dari 3^oC ke 4^oC berbeda dengan energi yang dibutuhkan untuk pindah dari 4^oC ke 5^oC, begitu juga dari suhu 68^oC ke 69^oC. Meskipun demikian, perbedaannya tidak begitu jauh (<kurang dari 1%) untuk interval air di setiap titik dari 0^oC sampai ke 100^oC. Pada perhitungan yang tidak membutuhkan ketelitian tingkat tinggi, perbedaan ini dapat diabaikan dan dinggap sama saja untuk setiap setiap titiknya.

Besar energi kemudian dinyatakan sebagai 1 kalori dengan demikian 1000 Kkal dapat difenisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1^oC. 1 Kal kemudian dijadikan sebagai satuan standar internasional (SI) untuk sistem metrik.

C. Kalor Jenis

Pada saat sejumlah kalor mengalir ke sebuah zat dan diasumsikan tidak terjadi perpindahan wujud, maka seluruh kalor tersebut akan membuat suhu dari sebuah zat akan naik, demikian pula sebaliknya, jika sejumlah kalor keluar dari suatu zat maka suhunya akan turun.

Besar perubahan suhu ini sebanding dengan jumlah energi yang diterima dengan persamaan :

Q∝ΔT

Selain itu semakin banyak massa benda yang dipanaskan maka semakin besar pula kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sautu benda. Secara matermatis persamaan ini dapat ditulis :

Q = mc .ΔT

c dalam persamaan ini adalah karakteristik kuantitatif dari sebuah materi dalam mengkonversi panas yang diserap menjadi perubahan suhu yang selajutnya di sebut sebagai kalor jenis. Kalor jenis dinyatakan dalam satuan J/kg^oC.

Sebagaimana yang dimaksud dalam defenisi dari satuan kalori yang dijelaskan sebelumnya yakni 1 kal adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk memanaskan 1 gram agar naik 1^oC, maka dengan demikian Kalor jenis air adalah 1 kal/g^oC atau 1 Kkal/Kg^oC.

Setiap benda memiliki kalor jenis yang berbeda-beda dan dapat diketahui melalui percobaan. Adapun hasil percobaan menunjukkan beberapa nilai dari kalor jenis benda pada tabel berikut :

Eksperimen Joule

James Prescoot Joule (1818 – 1889) membuat sebuah eksperimen dengan menggunakan kalorimeter untuk membuat hubungan antara energi panas dan energi mekanik. Rancangan kalorimeter seperti ditujukan pada gambar di bawah ini

Pada eksperimen tersebut beban di sisi dan kanan digunakan untuk memutar baling-baling dari energi potensial yang ia miliki. Baling-baling yang terputar di dalam kalorimeter kemudian menaikkan suhu air di dalam dan karena dibuat terisolasi dari lingkungan maka poses perubahan energi potensial ke kinetik pada saat beban jatuh bebas diubah ke energi panas. Meskipun pada proses pengamatan kenaikkan suhu tersebut sangatlah sedikit untuk diamati. Berdasarkan data percobaan disimpulkan bahwa :

1 kal = 4 186 J

D. Kalor Laten

Ketika sejumlah kalor digunakan untuk memanaskan es bersuhu -13^oC ke suhu 0^oC, maka panas yang diberikan akan digunakan untuk menaikkan suhu, segera pada saat suhu sudah 0^oC, maka panas tidak lagi digunakan untuk menaikkan suhu tapi merubah fase air yang tadinya dalam fase padat ke zat cair di suhu yang sama.

Kalor yang digunakan untuk merubah fase zat disebut sebagai kalor laten. Jumlah kalor yang dibutuhkan sebabding dengan jumlah massa zat yang dirubah fasenya :

Q_L∝m

Karakteristik kebutuhan kalor setiap zat berbeda dengan untuk berubah fase, disebut Kalor Laten (L), dengan demikian Persamaa Kalor Laten dapat ditulis :

Q_L=Lm

dimana perubahan fase gas umum terbagi atas dua jenis yakni Padat ke Cair disebut Kalor Laten Lebur (L_L), sedangkan Cari ke gas disebut Kalor Laten Uap (L_U). Sama dengan kalor jenis setiap, setiap benda memiliki kalor laten masing-masing seperti yang ditunjukkan pada tabel berikut :

Catatan : Baik kaloir jenis dan kalor laten, nilai yang tertera pada tabel berlaku pada kondisi STP yakni tekanan 1 atm, dan suhu ruangan 27^oC. Nilai-nilai tersebut dipengaruhi oleh banya parameter seperti tekanan udara, gravitasi dan suhu udara. Untuk membahas pengaruh variabel lebih jauh akan dikaji pada bagian Termodinamika.

Contoh Soal

1. Sebongkah es batu dipanaskan dari suhu -15^oC ke suhu 120^oC. Jika proses tersebut terjadi pada keadaan STP, maka jumlah energi panas yang diserap es tersebut adalah ….
2. Sebuah pemanas listrik dengan daya 300 watt digunakan untuk memanaskan 1 liter air dari suhu 10^oC sampai ke 90^oC. Jika efektifitas pemanas air adalah 70%, maka lama proses lama porses pemanasan adalah …