Perpindahan Kalor Mikrajuddin Abdullah Fisika Dasar I 2016
859 Pertanyaan selanjutnya adalah bagaimana cara kalor berpindah dari
satu benda ke benda lainnya? Para ahli akhirnya menyimpulkan bahwa hanya ada tiga cara perpindahan kalor antara benda, yaitu konduksi, konveksi, dan
radiasi Gambar 11.19.
Konduksi
Radiasi Konveksi
Gambar 11.19. Tiga cara perpindahan kalor: konduksi, konveksi, dan radiasi beodom.com. Konduksi adalah perpindahan kalor melalui benda tanpa disertai perpindahan atom atau molekul benda. Konvensi adalah
perpindahan kalor yang dibawa oleh aliran atom atau molekul benda. Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa memerlukan kehadiran benda. Pada peristiwa radiasi, kalor dibawa oleh gelombang elektromagnetik.
Konduksi
Konduksi adalah perpindahan kalor dari satu tempat ke tempat lain melalui benda. Tetapi selama kalor berpindah tidak ada bagian benda maupun
atom atau molekul penyusun benda yang ikut berpindah. Ketika ujung zat dipanaskan maka electron-elektron pada bagian
tersebut bergerak lebih kencang memiliki energy kinetic lebih besar. Akibatnya electron bermigrasi ke lokasi yang memiliki energy kinetic lebih
rendah bagian zat yang lebih dingin. Migrasi tersebut menyebabkan tumbukan electron yang berenergi tinggi dengann electron yang berenergi
860 rendah sehingga electron yang berenergi rendah menjadi berenergi tinggi yang
direpresentasikan oleh kenaikan suhu. Begitu seterusnya sehingga electron yang berenergi tinggi tersebar makin jauh dari lokasi pemanasan. Peristiwa ini
merepresentasikan perambatan kalor secara konduksi.
Penyebab lain peristiwa konduksi adalah getaran atom zat padat di sekitar posisi setimbangnya. Ketika atom-atom di lokasi pemanasan bergetar
lebih kencang maka atom-atom yang bertetangga ikut bergetar lebih kencang dari sebelumnya. Getaran kencang atom tetangga ini diikuti oleh tetangga yang
lebih jauh. Begitu seterusnya sehingga terjadi perpindahan getaran atom. Pada akhirnya semua atom dalam zat bergetar lebh kencang. Ini merepresentasikan
fenomena perambatan kalor. Karena tidak ada atom yang berpindah hanya getaran yang lebh kencang saja yang berpindah maka ini pun merupakan
peristiwa konduksi.
Perpindahan kalor secarakondusksi akibat migrasi electron hanya terjadi pada material logam material yang mengandung lektron bebas.
Perpindahan kalor secara konduksi akibat getaran aom –atom dapat terjadi
pada semua zat padat. Namun, perpindahan kalor secara konduksi akibat migrasi electron jauh lebih mudah daripada akibat perpindahan getaran atom.
Oleh karena itulah peristiwa konduksi pada logam jauh lebih mudah daripada peristiwa konduksi pada material bukan logam isolator. Pada material isolasor
juga terjadi peristiwa konduksi akibat perpindahan getaran atom namun angat lambat sehingga kita kataka material tersebut merupakan penghambat
aliran kalor. Jika ujung kaca d panaskan maka ujung lain akan ikut panas walaupun setelah berselang cukup lama. Ini adalah bukti peristiwa konduksi
pada bahan bukan logam.
Perpindahan kalor secara konduksi ditemukan di zat padat. Contohnya, ketika salah satu ujung besi dipanaskan maka ujung lainnya akan ikut panas.
Ini diakibatkan adanya kalor yang berpindah dari ujung yang dipanaskan ke ujung yang dingin. Di sini tidak ada bagian besi yang berpindah. Ketika bagian
dasar panci dipanaskan maka bagian atas atau ujung panci ikut panas. Ini terjadi karena perpindahan kalor dari bagian dasar panci ke bagian lainnya.
Tidak ada bagian panci yang bergerak. Jika kita mengaduk teh panas dengan sendok yang dingin maka lama-lama pegangan sendok menjadi panas. Terjadi
aliran kalor dari ujung sendok yang bersentuhan dengan teh dengan ujung sendok yang dipegang tangan.
Cepat perambatan kalor dalam zat padat berbeda untuk zat yang berbeda. Ada zat yang sangat mudah memindahkan kalor dan ada yang sangat
sulit. Zat yang mudah memindahkan kalor contohnya besi, tembaga, aluminium. Semua logam termasuk zat yang mudah memindahkan kalor. Zat
semacam ini disebut juga konduktor kalor. Umumnya konduktor kalor juga merupakan konduktor listrik. Artinya jika zat mudah menghantar kalor maka
zat tersebut juga mudah menghantar listrik.
Contoh zat yang sulit menghantar kalor adalah kaca, karet, kayu, batu. Zat yang sulit menghantarkan kalor juga disebut isolator kalor. Zat padat yang
sulit menghantarkan kalor umumnya juga sulit menghantarkan listrik. Ketika
861 satu ujung zat ini dipanaskan maka diperlukan waktu yang sangat lama bagi
ujung lain untuk panas. Ukuran kemampuan zat menghantar kalor dikenal dengan konduktivitas
panas. Laju konduksi kalor dalam bahan memenuhi persamaan
L T
T kA
q
r t
d 11.14
dengan q adalah kalor yang dirambatkan per detik Js
T
t
adalah suhu satu ujung benda suhu tinggi T
r
adalah suhu ujung benda yang lain suhu rendah L adalah panjang benda m
A adalah luas penampang benda m
2
k disebut konduktivitas panas Jm s
o
C.
Sebagai ilustrasi lihat Gambar 11.20 untuk menjelaskan peristiwa konduksi kalor. Konduktivitas panas sejumlah zat tampak pada Tabel 11.7.
T
t
T
r
L q
Gambar 11.20. Parameter untuk menentukan perpindahan panas dalam bahan secara konduksi.
Contoh 11.9
Sebuah silinder tembaga memiliki panjang 10 cm dan jari-jari 5 cm. Satu ujung silinder disentuhkan ke air yang sedang mendidih dan ujung lainnya
disentuhkan pada es yang sedang mencair. Tentukan
a Laju perambatan kalor dalam batang.
b Jumlah kalor yang dipindahkan selama 5 menit.
862 Jawab
Dari informasi di atas kita peroleh T
t
= 100
o
C air mendidih dan T
r
= 0
o
C es melebur. Luas penampang silinder adalah A = R
2
= 3,14 0,05
2
= 0,00785 m
3
. Berdasarkan Tabel 11.7 kite peroleh k = 385 Jm s
o
C.
Tabel 11.7 Konduktivitas panas sejumlah zat dari berbagai sumber.
Zat Konduktivitas panas Jm s
o
C Aluminium
205 Perunggu
42 Tembaga
385 Kaca
0,8 Emas
315 Es
2 Besi
72 Timbal
35 Nikel
91 Perak
427 Stainless stell
17 Air
0,6
a Laju perambatan kalor adalah
b
L T
T kA
q
r t
1 ,
50 200
00785 ,
385
863 = 5.533 Js
b Selama selang waktu 5 menit = 300 s, jumlah kalor yang berpindah adalah 4.533 300 = 1,36 10
6
J.
Contoh 11.10
Untuk memindahkan kalor dari air mendidih ke lokasi yang memiliki suhu 25
o
C digunakan sebuah batang aluminium. Jarak dua lokasi tersebut adalah 3 meter. Aluminium dibungkus dengan isolator ideal sehingga tidak ada kalor
yang terbuang selama perpindahan. Berapakah jari-jari batang aluminium anggap berbentuk silinder agar laju perpindahan kalor adalah 50 Js.
Jawab Informasi yang diberikan di soal adalah L = 2 m, T
t
= suhu didih air = 100
o
C, T
r
= 25
o
C, dan q = 50 Js. Berdasarkan Tabel 11.5, k = 205 Jm s
o
C. Dari persamaan 5.7 kita dapat menulis
r t
T T
k qL
A
25 100
205 2
50
= 0,0065 m
2
.
Karena silinder berbentuk silinder maka jari-jari memenuhi A = R
2
, atau
14 ,
3 0065
,
A R
= 0,046 m = 4,6 cm
864
Konveksi
Cara kedua perambatan kalor adalah konveksi. Pada cara ini kalor merambat karena perpindahan molekul atau atom penyusun benda. Ketika
satu bagian benda menerima kalor maka atom-atom penyusunnya bergerak lebih cepat. Akibatnya, atom-atom tersebut terdorong berpindah ke lokasi di
mana atom-atom masih bergetar lambat. Perpindahan atom yang telah bergerak cepat membawa energi kalor. Dengan demikian terjadi perpindahan
kalor dari lokasi yang bersuhu tinggi ke lokasi yang bersuhu rendah.
Konveksi hanya terjadi di dalam benda yang memiliki atom atau molekul yang dapat bergerak bebas. Benda seperti ini adalah fluida yang terdiri dari zat
cair dan gas. Jadi, konveksi terjadi dalam zat cair atau gas. Ketika air di dalam panci dipanaskan maka bagian air yang menerima panas adalah bagian yang
bersentuhan dengan panci, khususnya bagian dasar panci. Namun, lama-lama seluruh bagian air menjadi panas karena adanya aliran molekul air dari bawah
ke atas. Aliran tersebut mendesak air yang dingin yang berada di atas untuk turun sehingga mengalami pemanasan.
ketika yang dipanaskan. Fluida yang dipanaskan akan memuai. Karena massa tidak berubah maka massa jenis fluida mengecil. Akibatnya fluida
tersebut akan bergerak ke atas. Benda yang massa jenis lebih kecil akan berada di lapisan atas dan yang massa jenis besar akan berada di lapisan
bawah. Jika air dan minyak dicampur maka minyak pada akhirnya berada di lapisan atas karena massa jenisnya lebih kecil daripada air.
Air panas mengalir naik Air dingin mengalir turun
Gambar 11.21. Fenomena konvekssi pada air yang dipanaskan dalam panci. Terjadi perputaran air dari atas ke bawah secara terus menerus karena perbedaan massa jenis air panas dan air dingin physics.stackexchange.com.
865 Fluida yang berada di atas dan bersuhu lebih rendah memiliki massa
jenis lebih besar akan bergerak turun mengisi tempat kosong yang ditinggalkan fluida panas. Akibatya terjadi pergantian posisi fluida Gambar
11.21. Yang panas di atas dan yang dingin di bawah. Fluida dingin yang baru sampai di bawah mengalami pemanasan sehingga massa jenisnya mengecil
dan selanjutnya bergerak ke atas. Fluida yang berada di atas dan memiliki suhu lebih rendah turun mengisi ruang yang ditinggalkan di dasar panci.
Begitu seterusnya sehingga terjadi aliran terus-menerus fluida dari dasar panci ke atas. Dan pada akhirnya semua bagian fluida menacapai suhu yang sama.
Fenomena konveksi berperan sangat penting dalam kehidupan manusia. Aliran udara atau angin adalah peristiwa konveksi. Udara di tempat yang
bersuhu tinggi mengalami penurunan massa jenis akibat pemuaian volum sehingga mengalir ke atas. Tempat kosong yang ditinggalkan akan diisi oleh
udara dingin yang memiliki massa lebih kecil dari atas samping yang memiliki massa jenis lebih besar sehingga terjadi angin arah mendatar Gambar 11.22.
U D
A R
A P
A N
A S
U D
A R
A D
IN G
IN
ANGIN
TANAH DINGIN TANAH PANAS
Gambar 11.22. Salah satu mekanisme terjadinya angin akibat konveksi ocw.uci.edu.
Tiap kali terjadi kebakaran, petugas pemadam kebakaran sering kesulitan memadamkan api karena angin cukup kencang. Harap diketahui
bahwa jika terjadi kebakaran pasti timbul angin kencang. Udara di tempat kebakaran mengalami pemanasan sehingga terjadi aliran konveksi ke atas
secara cepat. Lokasi tempat kebakaran mengalami kekosongan udara. Udara dingin dari sekeliling cepat mengalir mengisi kekosongan tersebut sehingga
timbul angin cukup kencang Gambar 11.23.
866
Udara panas mengalir ke atas
Udara dingin Udara dingin
Gambar 11.23. Kebakaran sering memicu munculnya angin kencang dari sisi menuju ke lokasi kebakaran. Ini adalah fenomena konveksi
.
Tempat keluar magma kawah gunung api
Konveksi Konveksi
Lebih panas Lebih panas
Lebih dingin Lebih dingin
Contoh 11.24. Konveksi magna di dalam bumi peter-mulroy.squarespace.com.
Keluarnya magma dari dalam bumi menuju ke permukaan melalui gunung api juga adalah proses konveksi. Inti bumi memiliki suhu yang tinggi.
Suhu yang tinggi tersebut mencairkan material batuan di dalam bumi sehingga dapat mengalir. Bagian bawah cairan memiliki suhu lebih tinggi sehingga
massa jenisnya lebih kecil. Massa jenis yang kecil menyebabkan cairan tersebut bergerak ke atas dan bisa keluar ke permukaan bumi melalui lubang
gunung api Gambar 11.24.
Radiasi
Bentuk ketiga perpindahan kalor adalah radiasi. Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui medium. Ruang antara matahari dan bumi
867 kebanyakan hampa. Tetapi panas matahari dapat mencapai bumi. Ini salah
satu bukti bahwa kalor dapat merambat tanpa perlu medium. Lampu pijar mengandung filamen di tengahnya kawat kecil. Ruang
antara filamen adan kaca lampu adalah hampa. Ketika lampu disambung ke tegangan listrik PLN maka filamen memanas. Suhunya bisa mencapai 5.000
o
C. Tetapi panas dapat dirasakan sampai ke kaca lampu dan bisa juga dirasakan sampai di luar Gambar 11.25. Ini menunjukkan bahwa panas
filamen dapat merambat melalui ruang hampa dalam lampu hingga mencapai lokasi di luar lampu.
Udara adalah penghantar panas yang tidak baik. Ketika kita menyalakan api unggun maka dalam sekejap kita yang duduk sekitar setengah
meter dari api unggun merasakan panas Gambar 11.26. Ini bukan karena panas merambat melalui udara, tetapi panas merambat melalui radiasi. Kalau
menunggu panas merambat melalui udara maka diperlukan waktu yang lama bagi kita yang duduk setengah meter dari api unggun untuk merasakan panas.
Pertanyaan berikutnya adalah, mengapa panas bisa merambat secara radiasi? Jawabannya adalah panas tersebut dibawa oleh gelombang
elektromagnetik Gambar 11.27. Setiap benda memancarkan gelombang elektromagnetik. Energi gelombang yang dipancarkan makin besar jika suhu
benda masing tinggi. Salah satu komponen gelombang yang dipancarkan tersebut adalah gelombang inframerah yang membawa sifat panas. Makin
tinggi suhu benda maka makin banyak pula energi gelombang inframerah yang dipancarkan sehingga makin panas benda tersebut terasa pada jarak tertentu
Ruang hampa
Filamen bersuhu
tinggi Kalor berpindah
secara radiasi
Gambar 11.25. Ruang antara filamen dan adalah hampa. Panas dari filamen dapat
mencapai kaca lampu adalah bukti bahwa panas dapat merambat melalui ruang hampa. Ini
adalah peristiwa radiasi panas
.
868
radiasi radiasi
Gambar 11.26. Panas api unggun dengan segera dirasakan oleh orang yang duduk di sekeliling api unggun. Panas tersebut merambat melalui radiasi, bukan konduksi atau konveksi melalui udara antara orang dan api unggun
shabrinat.blogspot.com.
Radiasi
Gambar 11.27. Panas dapat merambat secara radiasi karena panas tersebut dibawa oleh gelombang elektromagnetik sciencelearn.org.nz