Azas Black dan Kekekalan Energi
B. Azas Black dan Kekekalan Energi
1. Azas Black
Pernahkah kalian mandi dan airnya kedinginan? Kemudian kalian mencampurkan air panas pada air mandi kalian. Begitu pula sebaliknya, pernahkah kalian mem- buat teh manis dan terlalu panas? Untuk mendinginkan kalian tambah es kedalam teh tersebut.
Kejadian-kejadian yang pernah kalian lakukan seperti di atas ternyata sangat sesuai dengan konsep fisika. Setiap dua benda atau lebih dengan suhu berbeda dicampurkan maka benda yang bersuhu lebih tinggi akan melepaskan kalornya, sedangkan benda yang bersuhu lebih rendah akan menyerap kalor hingga mencapai keseim- bangan yaitu suhunya sama. Pelepasan dan penyerapan kalor ini besarnya harus imbang. Kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap sehingga berlaku hukum kekekalan energi. Pada sistem tertutup, kekekalan energi panas (kalor) ini dapat dituliskan sebagai berikut.
Q lepas =Q serap
20 gr
suhu 5 O C Hubungan pada persamaan 7.6 di atas pertama kali dijelaskan oleh Joseph Black. Kemudian persamaan itu dikenal dengan azas Black.
CONTOH 7.5
230 gr
Botol termos berisi 230 gram kopi pada suhu 80 C. Kemudian ditambahkan susu sebanyak 20 gram ber-
kopi 90
campuran
suhu t O C suhu 5
C. Jika tidak ada kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos dan kalor jenis kopi = susu = air = 1,00 kal/g O
C, maka berapakah suhu
keseimbangan campuran?
kopi 230 gr
80 c=1 kal/gr C
Keadaan campuran kedua zat cair tersebut dapat
dilihat seperti Gambar 7.7 dan untuk mempermudah
perhitungan dapat digambar grafik Q - t seperti di
5 samping. Dari grafik terlihat bahwa kopi akan me-
susu 20 gr
lepas kalor dan susu akan menyerap kalor. Besarnya
Q (kal)
(a) percampuran kopi dan susu
250 t = 18400 + 100
(b) Grafik Q - t
t = 74 O C
Kalor sebagai Energi 151 Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba
soal berikut.
Ke dalam sebuah bejana yang berisi air 4 O C dicelup- kan besi 2000 gram, suhu 90 O
C. Jika massa air 300
gram dan kalor jenis besi = 0,10 kal/gram O
C, maka
tentukan suhu kesetimbangannya! Percampuran dua benda atau lebih yang menggu-
nakan azas Black dalam menganalisanya sangat berkaitan dengan perubah suhu dan perubah wujud. Jika dalam proses percampuran terjadi perubahan wujud maka perlu perhatian yang khusus. Cermati contoh berikut untuk lebih memahaminya.
CONTOH 7.6
Dalam gelas berisi 200 cc air 40 O C kemudian dima-
sukkan 40 gram es 0 40 gr C. Jika kapasitas kalor gelas
es 0 O 20 kal/ C C dan kalor lebur es adalah 80 kal/gr, maka berapakah suhu seimbangnya?
Penyelesaian
a = 200 gr, t a = 40 C
C = 20 kal/ g O g =t C, t
= 40 gr, t s =0 C L = 80 kal/gr
Dari massa dan suhu air dibandingkan dengan massa air 40 C dan suhu es dapat diprediksikan bahwa suhu akhir cam- puran akan melebihi 0 O
C, sehingga dapat digambarkan
(a)
(b)
grafik Q - t seperti Gambar 7.8(c). Pada proses tersebut berlaku azas Black sebagai berikut. t( O C)
air
1 +Q Q 2 = Q 3 +Q 4 40 gelas 200 gr s m L s +m s c a Δt s = C g Δt a +m a c a Δt a Q 3
40 . 80 + 40 . 1 . (t - 0) = 20(40 - t) + 200. 1 . (40-t)
260 t = 80 - 3200
O t = 21,6 C Q 2
Setelah memahami contoh di atas dapat kalian coba
soal berikut. 0 es
Q (kal)
a gram es –10 O C dicampur dengan b gram air ber-
40 gr
suhu 20 O
C. Jika suhu akhir yang dicapai 5 O
C, kalor
(c)
lebur es 80 kal/g, kalor jenis es 0,5 kal/gr O
C, maka
tentukan nilai perbandingan a/b!
Gambar 7.8
2. Kekekalan Energi Di SMP kalian sudah dikenalkan tentang kekekalan
energi. Energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan tetapi dapat berubah bentuk. Pernyataan ini merupakan hukum kekekalan energi secara umum.
152 Fisika SMA Kelas X
Kalor merupakan salah satu bentuk energi be- rarti harus juga memenuhi kekekalan energi. Kalor dapat berubah menjadi bentuk lain misalnya listrik (PLTU). Begitu pula kalor dapat timbul dari energi lain misalnya cahaya dan listrik juga (strika listrik).
CONTOH 7.7
Sebuah kompor listrik yang dayanya 500 watt dan daya gunanya 40% digunakan untuk memanaskan 1 liter air yang suhu awalnya 20 O
C. Jika kalor jenis air adalah
4 J/g O
C, maka berapakah suhu air setelah ¼ jam?
Penyelesaian
Pada pemanasan air dengan kompor listrik ini terjadi perubahan energi listrik menjadi kalor. Karena daya gunanya 40% maka dapat berlaku:
Q = 40% W Δt = 0,4 . P . t mc
(1000) 4 . Δt = 0,4 . 500 .
ke sumber
listrik
(t - 20) = 45 O
C berarti t = 65 O C
Gambar 7.9
Memanaskan air
Setelah memahami contoh di atas dapat kalian
menggunakan energi
coba soal berikut.
listrik.
Elemen pemanas sebuah kompor listrik 110 V mem- punyai hambatan 20 Ω. Jika kompor ini digunakan untuk memanaskan 1 kg air bersuhu 20 O C selama
7 menit dan dipasang pada tegangan 110 volt, maka tentukan suhu akhir air (kalor jenis air 1 J/kg O C)!
LATIHAN 7.2
1. Lima puluh gram es pada suhu 0 O C 3. Sebuah bejana yang massanya dimasukkan ke dalam 200 gram air yang
dapat diabaikan digunakan untuk
mencampur a gram es bersuhu -–0 bersuhu 20 O C kal/g dan kalor jenis air 1 kal/g O
C. Jika kalor lebur es = 80
C. Kalor berapakah suhu akhir campuran? O jenis es = 0,5 kal/gr C dan kalor lebur
C, maka O dengan b air pada suhu 50
es = 80 kal/gr. Jika setelah diaduk
2. 320 gram campuran es dan air pada ternyata semua es melebur, maka suhu 0 O C berada dalam bejana yang
hitung perbandingan a dan b! kapasitas kalornya dapat diabaikan.
4. Sepotong tembaga dijatuhkan dari Kemudian dimasukkan 79 gram uap
ketinggian 490 meter di atas lantai. air yang bersuhu 100 O C ke dalam
Kalor yang terjadi pada proses bejana tersebut sehingga diperoleh
tumbukan dengan lantai 60% -nya suhu akhir menjadi 79 O
diserap oleh tembaga untuk menaikkan
C. Jika kalor
suhunya. Jika kalor jenis tembaga = lebur es 79,0 kal/gram dan kalor
C, percepatan gravitasi bumi penguapan air 540 kal/gram, maka
420 J/kg O
10 m/s 2 , maka berapakah kenaikan hitung banyaknya air mula-mula!
suhu tembaga?
Kalor sebagai Energi 153