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
                