Kalor Jenis Mikrajuddin Abdullah Fisika Dasar I 2016

844 bahwa perbandingan kapasitas kalor dan massa merupakan sifat khas suatu zat. Besaran ini kita namai kalor jenis, dan dihitung dengan persamaan m C c  11.7 dengan c adalah kalor jenis Satuan kalor jenis adalah kalkg o C atau Jkg o C, atau kalkg K, atau Jkg K. Hampir semua zat telah didokumentasikan nilai kalor jenisnya. Tabel 11.4 adalah kalor jenis sejumlah zat. Tabel 11.3 Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sejumlah zat pada berbagai massa sebesar 1 o C. ZatMassa Kalor untuk menaikkan suhu sebesar 1 o C kkal Kapasitas kalor kkal o C Kapasitas kalormassa kkalkg o C Air 2 kg 2 2 1 5 kg 5 5 1 20 kg 20 20 1 Besi 0,5 kg 0,0555 0,0555 0,111 4 kg 0,444 0,444 0,111 10 kg 1,111 1,111 0,111 Aluminium 0,1 kg 0,0214 0,0214 0,214 1,8 kg 0,3852 0,3852 0,214 9,5 kg 2,033 2,033 0,214 Ketika benda menyerap atau melepas kalor maka besar kalor dapat dihitung dengan rumus 845 T C Q   11.8 Jika kita belum mengetahui nilai kapasitas kalor, C, maka kita hitung kapasitas kalor dengan rumus mc C  . Contoh 11.4 Sebanyak 0,4 kg besi di tempat pandai besi dibakar sehingga suhunya naik dari 30 o C menjadi 450 o C. Berapa jumlah kalor yang diserap besi untuk menaikkan suhu tersebut? Jawab Karena tidak ada informasi kapasitas kalor, maka kita hitung dulu kapasitas kalor. Untuk itu perlu informasi tentang kalor jenis besi. Berdasarkan Table 1.4 kalor jenis besi adalah c = 0,108 kalg o C. Massa besi di soal adalah m = 0,4 kg = 400 g. Maka kapasitas kalor besi adalah mc C  = 400  0,108 = 43,2 kal o C Kenaikan suhu besi, T = 450 – 30 = 420 o C Kalor yang diserap besi T C Q   = 43,2 420 = 18.144 kal = 18,144 kkal. Contoh 11.5 Jika 500 g tembaga yang bersuhu 50 o C dimasukkan ke dalam 200 g air yang bersuhu 20 o C, berapa suhu akhir ketika dua benda tersebut dalam keseimbangan mencapai suhu yang sama? Jawab Misalnya suhu akhir T. Penurunan suhu tembaga: T 1 = 50 – T. Kalor yang dilepas tembaga adalah 846 1 1 1 1 T c m Q   = 500  0,092  50 – T = 46  50 – T = 2.300 – 46T. Tabel 11.4. Kalor jenis sejumlah zat dari berbagai sumber. Zat Kalor jenis Satuan kalg o C Satuan Jg o C Udara tekanan 1 atm, suhu 0 o C 0,24 1,0035 Aluminium 0,214 0,897 Argon 0,124 0,5203 Tembaga 0,092 0,385 Intan 0,122 0,5091 Etanol 0,583 2,44 Kaca 0,2 0,84 Grafit 0,17 0,710 Emas 0,03 0,129 Hidrogen 3,418 14,30 Besi 0,108 0,450 Timbal 0,031 0,129 Air raksa 0,033 0,1395 Lilin 0,598 2,5 Perak 0,056 0,233 Titanium 0,125 0,523 Baja 0,111 0,466 Air 1,00 4,184 Es 0,504 2,108 Seng 0,092 0,387 847 Kenaikan suhu air: T 2 = T – 20. Kalor yang diserap air adalah 2 2 2 2 T c m Q   = 200  1  T - 20 = 200T – 4.000. Kalor yang dilepas tembaga persis sama dengan kalor yang diserap air. Dengan demikian 2.300 – 46T = 200T – 4.000 atau 246T = 6.300. Akhirnya kita dapatkan suhu akhir campuran sebesar T = 6.300246 = 25,6 o C.

11.12 Kalor Jenis Kuantum

Pada pembahasan di atas kalor jenis benda dianggap konstan, berapa pun suhu benda. Hasil ini selalu benar selama suhu benda masih tinggi. Namun, jika suhu benda diturunkan mendekati nol kelvin maka sifat ini tidak lagi dipenuhi. Kalor jenis benda tidak lagi konstan tetapi menuju nol jika suhu menuju nol. Gejala ini baru diamati ketika para ahli sudah bisa menurunkan suhu mendekati nol kelvin yang dimulai oleh ilmuwan belanda Heike Kamerling Onnes. Awalnya tidak ada teori yang dapat menjelaskan pengamatan ini. Orang yang pertama yang berhasil menjelaskan sifat kalor jenis benda yang menuju nol ketika suhu mendekati nol kelvin adalah Albert Einstein berdasarkan teori kuantum energi getaran atom. Namun, teori yang dirumuskan Einstein kurang tepat menjelaskan data pengamatan. Teori Einstein kemudian disempurnakan oleh fisikawan Belanda, Debeye. Teori Debeye benar-benar cocok dengan data pengamatan. Teori yang dibangun Debeye juga didasarkan pada fisika kuantum. Menurut teori Debeye, pada suhu sangat rendah kalor jenis zat padat bukan logam merupakan fungsi pangkat 3 suhu suhu dinyatakan dalam satuan kelvin, atau 3 AT c  11.9 dengan A adalah konstan. Teori kalor jenis sebelumnya teori klasik yang melahirkan ketidakbergantungan kalor jenis pada suhu didasarkan pada fisika klasik. Gambar 11.15 adalah kurva kalor jenis molar argon pada suhu antara 0 K sampai 10 K. Sumbu datar merupakan suhu pangkat 3. Digambar juga kurva yang merupakan fungsi pangkat 3 suhu menjadi garis lurus kalau sumbu datar merupakan pangkat 3 suhu. Tampak kesesuaian antara teori kuantum dengan data eksperimen. 848 Untuk material logam, persamaan kalor jenis sedikit berbeda. Pada logam terdapat banyak elektron bebas yang juga memberi sumbangan pada kalor jenis. Kalor jenis pada persamaan 11.9 hanya disumbang oleh getaran atom zat padat di sekitar posisi setimbangnya. Pada logam, disamping getaran atom, juga ada gerakan elektron bebas. Untuk material logam ini, kalor jenis sebagai fungsi suhu memenuhi persamaan 3 AT T c    11.10 dengan  adalah konstanta. Suku pertama merupakan sumbangan elektron bebas, dan suku kedua merupakan sumbangan getaran atom. 1,33 2,66 3,99 5,32 6,65 7,98 4,44 8,89 13,33 17,78 22,23 T 3 [K 3 ] Kal o r jen is m o lar [m J m o l K] Gambar 11.15 Kalor jenis molar argon kapasitas kalor per satuan mol pada suhu rendah. Kurva diperoleh dari persamaan 11.9. Sumbu datar adalah pangkat 3 suhu sehingga persamaan 11.9 menjadi fungsi linier. Data diekstrak dari C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, New York: John Wiley 1996.