HUKUM JOULE PANAS YANG DITIMBULKAN OLEH
HUKUM JOULE
PANAS YANG DITIMBULKAN OLEH ARUS LISTRIK (L1)
ZAHROTUN NISA’
1413100014
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
ABSTRAK
Telah dilakukan percobaan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik dengan kode
percobaan L1. Tujuan percobaan L1 adalah menentukan panas yang ditimbulkan arus listrik,
membuktikan hukum joule dan menentukan harga satu joule. Pada percobaan ini dilakukan
dengan membandingkan dua rangkaian dimana nantinya akan nampak salah satu rangkaian
yang menguntungkan untuk memenuhi tujuan dari percobaan L1. Prinsipnya adalah
menghitung waktu yang diperlukan dalam menaikkan suhu sebesar 1oC. Dari percobaan
dengan rangkaian A didapat harga panas rata – rata pada sistem (panas ini akibat dari
tumbukan elektron – elektron pada arus listrik) dengan perbandingan harga panas air dan
kalorimeter (panas ini akibat transfer energi dari arus listrik ke dalam kalorimeter) yaitu 1
joule = 0,272 kalori. Sedang pada rangkaian B yaitu 1 joule = 0,243 kalori.
Keywords
: Arus listrik, tumbukan antar elektron, panas, hukum joule, kalorimeter,
transfer energi.
i
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ................................................................................................................. ii
BAB I ............................................................................................................................ 1
PENDAHULUAN ........................................................................................................ 1
1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1
1.2 Permasalahan....................................................................................................... 1
1.3 Tujuan ................................................................................................................. 1
BAB II ........................................................................................................................... 2
DASAR TEORI ............................................................................................................ 2
2.1 Arus ..................................................................................................................... 2
2.2 Hambatan ............................................................................................................ 3
2.3 Hambatan Jenis / Resistivitas .............................................................................. 3
2.4 Energi dan Daya Listrik ...................................................................................... 4
2.5 Kalor.................................................................................................................... 5
2.6 Perbedaan antara Temperatur, Kalor, dan Energi Dalam ................................... 6
2.7 Perpindahan Kalor ............................................................................................... 7
2.8 Kalorimeter dan Prinsip Kerjanya ....................................................................... 7
BAB III ......................................................................................................................... 9
METODOLOGI PERCOBAAN ................................................................................... 9
3.1 Peralatan dan Bahan ............................................................................................ 9
3.2 Cara Kerja ........................................................................................................... 9
BAB IV ....................................................................................................................... 11
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ................................................................. 11
4.1 Analisa Data ...................................................................................................... 11
4.2 Perhitungan ....................................................................................................... 11
4.3 Grafik ................................................................................................................ 14
4.4 Pembahasan ....................................................................................................... 15
BAB V......................................................................................................................... 16
KESIMPULAN ........................................................................................................... 16
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 17
LAMPIRAN ................................................................................................................ 18
ii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Arus listrik terdiri dari muatan – muatan yang bergerak. Bila gerakan –
gerakan tersebut berlangsung di dalam sebuah lintasan konduksi yang membentuk
sebuah simpal tertutup, maka lintasan itu dinamakan rangkaian listrik. Rangkaian
listrik memiliki fungsi tersendiri dimana ia dapat menghantarkan energi dari satu
tempat ke tempat lain.
Sewaktu partikel bermuatan bergerak di dalam sebuah rangkaian, maka
energi potensial dipindahkan dari suatu sumber (seperti aki atau generator) ke sebuah
alat tempat energi tersebut disimpan ke dalam bentuk energi lain menjadi energi
kalor. Dalam percobaan L1 transfer energi menjadi panas terjadi di dalam
kalorimeter. Kalorimeter memungkinkan kita mengetahui Q dengan menghitung
waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar 1oC.
1.2 Permasalahan
Permasalahan dalam percobaan ini adalah bagaimana cara menentukan
panas yang ditimbulkan oleh arus listrik, lalu membuktikan Hukum Joule dan
menentukan harga 1 Joule.
1.3 Tujuan
Tujuan percobaan ini adalah menentukan panas yang ditimbulkan oleh
arus listrik, membuktikan Hukum Joule dan menentukan harga 1 Joule.
1
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Arus
Arus merupakan gerak muatan – muatan dari satu daerah ke daerah
lainnya. Bila gerakan – gerakan tersebut berlangsung di dalam sebuah lintasan
konduksi yang membentuk sebuah simpal tertutup, maka lintasan itu dapat disebut
dengan rangkaian listrik. Analisa muatan dapat dicontohkan pada sebuah konduktor.
Konduktor berupa logam misalnya akan memiliki muatan yang tidak akan diam
walau medan listrik nol maupun tidak ada arus. Elektron pada partikel konduktor
akan bergerak secara acak seperti perumpamaan molekul – molekul gas (Zemansky,
2006).
Tumbukan yang terjadi antar elektron menimbulkan getaran partikel suatu
konduktor. Ketika konduktor diberi perlakuan seperti pemberian beda potensial, maka
tumbukan elektron – elektron akan semakin keras. Otomatis kecepatan tumbukan
bertambah dan getaran partikel menjadi besar. Dari kejadian diatas timbulah panas
yang disebabkan oleh arus. Arus listrik didefinisikan sebagai jumlah total muatan
yang melewati suatu konduktor per satuan waktu. Atau dapat ditulis
I=
Δ𝑄
Δ𝑡
………………………………………………………………….(2.1)
(Zemansky, 2006)
Arus bukanlah sebuah vektor. Dalam sebuah konduktor yang mengangkut
arus, tidak peduli seberapa panjang atau melengkung, arus selalu mengalir. Hanya
saja ada istilah arus positif ketika mengalir dalam satu arah. Satuan SI dari arus
adalah ampere. Satu ampere didefinisikan sebagai satu coulomb per detik (1A = 1C/s)
(Zemansky, 2006).
Menurut konvensi, arus searah dengan muatan positif atau istilahnya
proton. Sedangkan muatan – muatan yang bergerak sampai bertumbukan adalah suatu
elektron atau muatan negatif. Jadi arah arus berlawanan dengan muatan bergerak
pada partikel suatu konduktor.
2
Arus dapat dinyatakan dalam kecepatan menyimpang dari muatan yang
bergerak. Dimisalkan sebuah konduktor (kawat penghantar) memiliki luas
penampang A. Lalu n adalah jumlah partikel – partikel pembawa muatan bebas per
satuan volume. Diumpamakan partikel membawa muatan q dan kecepatan alir vd.
Dalam waktu ∆t, partikel mengalir ke dalam silinder dengan volume Avd∆t dan
banyaknya partikel nAvd∆t, sehingga arusnya
I=
Δ𝑄
Δ𝑡
= nqAvd………………………………………………………...(2.2)
(Serway, 2010).
2.2 Hambatan
Jika kita memakaikan perbedaan potensial yang sama antara ujung – ujung
tongkat tembaga dan
tongkat kayu yang mempunyai geometri serupa, maka
dihasilkan arus – arus yang sangat berbeda. Hal tersebut bisa terjadi karena adanya
karakteristik (sifat) suatu penghantar yang dinamakan hambatan (resistance). Kita
mendefinisikan hambatan dari sebuah penghantar diantara dua titik dengan
memakaikan sebuah perbedaan potensial V diantara titik – titik tersebut, dengan
mengukur arus i dan kemudian melakukan pembagian :
𝑉
R = …………………………………………………………………...(2.3)
𝑖
Jika V dinyatakan dalam volt dan I dinyatakan dalam ampere, maka hambatan akan
dinyatakan dalam ohms ( Ω ) (Halliday, 2010).
2.3 Hambatan Jenis / Resistivitas
Suatu ketika mungkin pernah terbesit dalam pikiran kita bahwa hambatan
suatu konduktor berupa kawat dengan volume tebal akan lebih kecil bila
dibandingkan tipis. Karena ketika hambatan seolah – olah menghadang, elektron
tetap memiliki jalan lebar untuk lewat ketika jenis kawatnya tebal. Adalagi
pandangan bahwa hambatan akan besar ketika kawat berukuran panjang karena akan
lebih banyak hambatan tersebar untuk menghalangi ruang gerak elektron. Sesuai
3
kedua pernyataan diatas bahwasanya hambatan (R) kawat logam berbanding lurus
dengan panjang (L) dan berbanding terbalik dengan luas penampang (A).
𝐿
R = ρ …………………………………………………………………(2.4)
𝐴
Dimana ρ merupakan hambatan jenis atau resistivitas yang berupa konstanta dimana
nilainya bergantung pada bahan yang digunakan. Nilai ρ memiliki satuan Ω.m
(Halliday, 2010).
2.4 Energi dan Daya Listrik
Hubungan energi dan daya dalam rangkaian listrik dapat dianalisis dengan
suatu contoh berikut. Mari melihat gambar dibawah ini
Va
Vb
I
I
Gambar 2.1 Masukan daya P untuk bagian rangkaian diantara a dan b
Kotak gambar 2.1 menyatakan rangkaian dengan selisih potensial Va – Vb = Vab
diantara terminal – terminal dan arus I yang lewat melalui rangkaian itu dalam arah
dari a menuju b. Sewaktu muatan lewat, medan listrik melakukan kerja pada muatan
tersebut (Zemansky, 2006).
Kerja total yang dilakukan pada sebuah muatan q yang lewat melalui
elemen rangkaian sama dengan hasilkali q dan selisih potensial Vab. Bila Vab positif,
gaya listrik melakukan sejumlah kerja positif qVab pada muatan itu sewaktu muatan
jatuh dari potensial Va ke potensial Vb yang lebih rendah. Jika arus itu adalah I, maka
dalam selang waktu dt, sejumlah muatan dQ = I dt lewat. Kerja dW yang dilakukan
dW = Vab.dQ = Vab.I dt………………………………………………(2.5)
Kerja ini menyatakan energi listrik yang dipindahkan ke dalam elemen rangkaian ini.
Laju perpindahan energi terhadap waktu disebut daya (P). Dengan membagi
4
persamaan diatas dengan dt, didapat laju pada bagian selebihnya dari rangkaian itu
menghantar energi listrik ke dalam elemen rangkaian ini
𝑑𝑊
𝑑𝑡
= P = Vab.I………………………………………………………...(2.6)
Satuan Vab adalah satu volt atau satu joule per coulomb, satuan I adalah ampere atau
satu coulomb per detik. Maka satuan Vab.I adalah satu watt.
(1 J/C) (1 C/s) = 1 J/s = 1 W (Zemansky, 2006).
Jika elemen rangkaian pada gambar 2.1 adalah sebuah resistor, maka
selisih potensial itu adalah Vab = I.R. Dari persamaan 2.6 daya listrik yang diantar ke
resistor oleh rangkaian itu adalah
P = Vab.I = I².R =
𝑉𝑎𝑏 ²
𝑅
………………………………………………...(2.7)
Dalam kasus ini potensial di a selalu lebih tinggi daripada di b. Persamaan 2.7
menyatakan laju perpindahan energi potensial listrik ke dalam rangkaian (Zemansky,
2006).
2.5 Kalor
Istilah kalor sering digunakan dalam kehidupan sehari – hari, namun
terkadang ada kesalahan definisi dari kalor sendiri. Misalnya kita berbicara mengenai
aliran kalor, kalor mengalir dari kompor ke ketel, panas matahari yang diterima bumi,
atau kalor dari mulut seseorang ke termometer demam. Seakan – akan kalor mengalir
dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain
dengan temperatur yang lebih rendah. Bisa dibilang aliran kalor sebagai gerakan zat
fluida. Itu memang konsep kalor zaman dahulu sekitar abad 18, namun sekarang kita
dapat memandang kalor berhubungan dengan kerja dan energi (Giancoli, 2001).
Satuan kalor disebut kalori (kal) dan didefinisikan sebagai kalor yang
dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat celcius. Yang
lebih sering digunakan dari kalori adalah kilokalori (kkal) yang sebanding dengan
1000 kalori. Dengan demikian, 1 kkal adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan
temperatur 1 kg air sebesar 1 derajat celcius (Giancoli, 2001).
5
Gagasan bahwa kalor berhubungan dengan energi diteliti lanjut oleh
James Prescott Joule (1818 – 1889). Joule melakukan sejumlah percobaan untuk
menetapkan pandangan kita bahwa kalor seperti kerja, merepresentasikan transfer
energi. Joule juga menetukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu
ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186
joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal sebagai tara
kalor mekanik (Giancoli, 2001).
Para ilmuwan kemudian menginterpresentasikan bahwa kalor bukan
sebagai zat. Melainkan kalor merupakan transfer energi. Ketika kalor mengalir dari
benda panas ke yang lebih dingin, energi-lah yang ditransfer dari yang panas ke yang
dingin. Dengan demikian kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke
yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur. Dalam satuan SI, satuan untuk
kalor sebagaimana untuk bentuk energi lain adalah joule. Tetapi satuan kalor
sebelumnya yakni kalori tetap dapat digunakan (Giancoli, 2001).
2.6 Perbedaan antara Temperatur, Kalor, dan Energi Dalam
Jumlah total dari semua energi pada semua molekul di sebuah benda
disebut energi termal atau energi dalam. Sedangkan kalor yang telah dibahas
sebelumnya, mengacu ke jumlah energi yang ditransfer dari satu benda ke yang
lainnya pada temperatur yang berbeda. Dengan menggunakan teori kinetik, kita dapat
membuat perbedaan yang jelas antara temperatur, kalor dan energi dalam.
Temperatur (dalam Kelvin) merupakan pengukuran dari energi kinetik rata – rata dari
molekul secara individu. Energi termal atau energi dalam mengacu pada energi total
dari semua molekul pada benda. Kalor mengacu pada transfer energi (energi termal
contohnya) dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur
(Giancoli, 2001).
6
2.7 Perpindahan Kalor
Kalor berpindah dari satu tempat atau benda ke yang lainnya dengan tiga
cara yakni konduksi, konveksi, dan radiasi. Namun kali ini akan dibahas mengenai
konduksi yang ada kaitannya dengan tumbukan molekul – molekul seperti pada
percobaan. Konduksi kalor pada banyak materi dapat digambarkan sebagai hasil
tumbukan molekul – molekul. Bila satu ujung suatu konduktor dipanaskan, molekul –
molekul di tempat itu bergerak lebih cepat dan semakin cepat. Molekul – molekul ini
kemudian juga mentransfer sebagian energi mereka dengan molekul – molekul lain
sepanjang suatu konduktor tersebut. Dengan demikian energi gerakan termal
ditransfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda. Pada logam, tumbukan antara
elektron – elektron bebas di dalam logam dan dengan atom logam tersebut terutama
mengakibatkan untuk terjadinya konduksi (Giancoli, 2001).
Konduksi kalor hanya terjadi jika ada perbedaan temperatur. Dan memang
ditemukan pada percobaan bahwa kecepatan aliran kalor melalui benda sebanding
dengan perbedaan temperatur antara ujung – ujungnya. Kecepatan aliran kalor juga
bergantung pada ukuran dan bentuk benda. Ditemukan dari percobaan bahwa aliran
kalor ∆𝑄 per selang waktu ∆t dinyatakan oleh hubungan
∆𝑄
∆𝑡
= kA
𝑇1−𝑇2
𝑙
………………………………………………………….(2.8)
Dimana A adalah luas penampang lintang benda, l adalah jarak antara kedua ujung
yang mempunyai temperatur T1 dan T2, dan k adalah konstanta pembanding yang
disebut konduktivitas termal, yang merupakan karakteristik materi tersebut. Zat – zat
dengan k besar, menghantarkan kalor dengan cepat dan dinamakan konduktor yang
baik. Sedangkan zat – zat yang memiliki k kecil, merupakan penghantar kalor yang
buruk atau biasa disebut isolator (Giancoli, 2001).
2.8 Kalorimeter dan Prinsip Kerjanya
Kalorimeter merupakan alat yang digunakan untuk menetukan besarnya
kapasitas panas suatu zat. Dalam percobaan L1, digunakan kalorimeter air berdinding
7
ganda. Kalorimeter ini terdiri atas bejana logam berdinding tipis, yang permukaan
luarnya diberi lapisan nikel untuk mengurangi kehilangan panas karena radiasi.
Bejana ini berisi air yang dihitung terlebih dahulu massanya dan mempunyai tutup
yang berlubang untuk dapat dimasuki termometer. Kehilangan panas dapat dikurangi
lagi dengan memasukkan bejana tersebut ke dalam bejana lain.
Jika suatu rangkaian diberi tegangan, maka tegangan dari potensial tinggi
akan bergerak menuju potensial rendah, peristiwa inilah yang menyebabkan
tumbukan antar elektron terjadi dan adanya arus listrik. Elektron – elektron terus
bertumbukan hingga arus sampai pada kalorimeter. Di dalam kalorimeter sendiri
elektron – elektron bertumbukan juga dengan partikel konduktor berupa kawat spiral
yang merupakan bagian dari kalorimeter. Setelah itu terjadilah transfer energi berupa
panas kepada kalorimeter.
Jika pada kalorimeter tersebut diberikan sejumlah panas Q yang belum
diketahui, maka dengan membaca termometer sebelum dan sesudah dimasukkan
panas tadi, dapatlah diketahui harga Q berdasarkan kenaikkan temperatur yang terjadi
(Dosen – dosen Fisika FMIPA ITS, 2012).
Gambar 2.2 Kalorimeter
8
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1 Peralatan dan Bahan
Peralatan dan bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah
kalorimeter dengan perlengkapannya satu set, thermometer satu buah, adaptor satu
buah, stopwatch satu buah, tahanan geser (Rg) satu buah, amperemeter (A) dan
voltmeter masing – masing satu buah.
3.2 Cara Kerja
Skema Alat
E
+
-
V
-
A
+
Thermometer
+
K
(a)
Gambar 3.1 Rangkaian 1
_
+
A
V
E
+
-
_
V
+
Thermometer
K
(b)
Gambar 3.2 Rangkaian 2
9
Dibuat rangkaian seperti gambar 3.1, dihubungkan tegangan PLN seijin
asisten. Diisi kalorimeter K dengan air, lalu dicatat massa air dalam kalorimeter.
Diberi beda potensial selama 10 menit, diusahakan arus konstan dengan mengatur
tahanan geser Rg. Dicatat kenaikan suhu tiap 30 detik selama 10 menit. Dilakukan
serangkaian langkah diatas untuk rangkaian seperti gambar 3.2.
10
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Data
Dari percobaan yang telah dilakukan dengan dua tipe rangkaian, maka
diperoleh data sebagai berikut:
Tabel 4.1 Hasil pengamatan pada percobaan dengan rangkaian pertama
No.
Massa Air
Arus
(g)
Listrik (A)
To (oC)
1.
2.
3.
4.
0,5
12
120
5.
0,6
10
6.
T (oC)
t (menit)
13
2,49
14
4,26
15
5,59
11
1,23
12
2,10
13
3,14
Tegangan
(V)
9,5
11,5
Tabel 4.2 Hasil pengamatan pada percobaan dengan rangkaian kedua
No.
Massa Air
Arus
(g)
Listrik (A)
To (oC)
1.
2.
3.
4.
0,5
10
70,1
5.
0,6
10
6.
T (oC)
t (menit)
11
0,31
12
1,01
13
3,11
11
1,53
12
2,56
13
4,28
Tegangan
(V)
12
15
4.2 Perhitungan
Diambil sample dari percobaan dengan rangkaian pertama, pengulangan kesatu
Diketahui:
massa air
: 120 g
Arus listrik (I)
: 0,5 A
∆T (T – To)
: 1oC
Waktu (t)
: 2,49 menit = 169 detik
11
Tegangan (V)
Ditanya:
a. H (Joule)
: 9,5 V
=?
b. Q (Kalori) = ?
Jawab:
a. H = V I t
H = 9,5 x 0,5 x 169
H = 802,75 Joule
b. Q = Q1 + Q2
Q = (massa air x ∆T) + (0,26 x massa air x ∆T)
Q = (120 x 1) + (0,26 x 120 x 1)
Q = 120 + 31,2
Q = 151,2 Kalori
Tabel 4.3 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 120 g dan Arus listrik 0,5 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
Q
𝑇𝑜
(Joule) (kalori)
(kalori) (kalori)
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
12
13
1
169
9.5 802.75
120
31.2
151.2
12
14
2
266
9.5 1263.5
240
62.4
302.4
12
15
3
359
9.5 1705.25
360
93.6
453.6
Tabel 4.4 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 120 g dan Arus listrik 0,6 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
Q
𝑇𝑜
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
(Joule) (kalori)
(kalori) (kalori)
10
11
1
83
11.5
572.7
120
31.2
151.2
10
12
2
130
11.5
897
240
62.4
302.4
10
13
3
194
11.5 1338.6
360
93.6
453.6
Tabel 4.5 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 70,1 g dan Arus listrik 0,5 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
𝑇𝑜
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
(Joule) (kalori)
(kalori)
10
11
1
31
12
186
70.1 18.226
10
12
2
61
12
366
140.2 36.452
10
13
3
191
12
1146
210.3 54.678
Q
(kalori)
88.326
176.652
264.978
12
Tabel 4.6 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 70,1 g dan Arus listrik 0,6 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
𝑇𝑜
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
(Joule) (kalori)
(kalori)
10
11
1
113
15
1017
70.1 18.226
10
12
2
236
15
2124
140.2 36.452
10
13
3
268
15
2412
210.3 54.678
Q
(kalori)
88.326
176.652
264.978
Tabel 4.7 Perhitungan H dan Q
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
H
(Joule)
802.75
1263.5
1705.25
572.7
897
1338.6
186
366
1146
1017
2124
2412
Q
(Kalori)
151.2
302.4
453.6
151.2
302.4
453.6
88.326
176.652
264.978
88.326
176.652
264.978
Tabel 4.8 Perbandingan Joule dengan Kalori
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Rata –Rata =
Joule
Kalori
1
0.188353
1
0.239335
1
0.266002
1
0.264013
1
0.337124
1
0.338861
1
0.474871
1
0.482656
1
0.23122
1
0.08685
1
0.083169
1
0.109858
1 : 0,258
13
Suhu (ᵒC)
4.3 Grafik
16
15
14
13
12
Grafik 1
0
100
200
300
400
Waktu (s)
Suhu (ᵒC)
Grafik 4.1 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian pertama dengan arus 0,5 A
14
13
12
11
10
Grafik 2
0
50
100
150
200
250
Waktu (s)
Suhu (ᵒC)
Grafik 4.2 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian pertama dengan arus 0,6 A
14
13
12
11
10
Grafik 3
0
50
100
150
200
250
Waktu (s)
Suhu (ᵒC)
Grafik 4.3 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian kedua dengan arus 0,5 A
14
13
12
11
10
Grafik 4
0
50
100
150
200
250
300
Waktu (s)
Grafik 4.4 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian kedua dengan arus 0,6 A
14
4.4 Pembahasan
Percobaan L1 dilakukan dengan menggunakan dua rangkaian, yakni
rangkaian A dan rangkaian B. Perbedaan kedua rangkaian ada pada pemberian
tahanan geser dimana tahanan geser pada rangkaian A diletakkan di akhir dan B di
awal rangkaian. Percobaan ini memakai dua variasi arus pada masing – masing
rangkaian yakni 0,5 A dan 0,6 A. Karena terjadi miskomunikasi, masing – masing
rangkaian memakai massa berbeda, 120 g pada rangkaian A dan 70,1 g pada
rangkaian B.
Dari data percobaan rangkaian A dengan arus 0,5 A diperoleh harga panas
rata – rata pada sistem dengan perbandingan harga panas air dan kalorimeter yaitu 1
joule = 0,231 kalori. Dengan arus 0,6 A yaitu 1 joule = 0,313 kalori. Rangkaian B
dengan arus 0,5 A yaitu 1 joule = 0,395 kalori. Dengan arus 0,6 A yaitu 1 joule =
0,092 A. Rata – rata pada rangkaian A yaitu 1 joule = 0,272 kalori dan rangkaian B
yaitu 1 joule = 0,243 kalori. Dalam teori dikatakan bahwa 1 joule = 0,24 kalori, itu
artinya rangkaian B lah yang menurut saya menguntungkan dalam hal ini karena
cukup mendekati.
Peletakan tahanan geser di awal pada rangkaian B menjaga arus konstan dari
awal perjalanan hingga berakhir di kalorimeter. Dengan terjaganya arus, tegangan
juga menjadi stabil jalannya sehingga ketika berada di kalorimeter, transfer energi
panas bisa maksimal, waktu yang diperlukan pun relatif lebih singkat. Bila
dibandingkan dengan rangkaian A, dimana tahanan geser diletakkan di akhir
membuat arus menjadi tidak stabil pada awal perjalanan hingga mungkin pada
akhirnya menyebabkan transfer energi panas kurang maksimal serta waktu yang
dibutuhkan sedikit lebih lama.
Hasil percobaan tidak menunjukkan tepat 0,24 kalori. Hal ini mungkin
disebabkan ketelitian dalam pengukuran kami yang masih kurang. Bisa jadi ada
faktor x telah terjadi pada lingkungan (seperti masalah pada suhu di lingkungan
percobaan) atau peralatan sehingga kurang mendukung untuk mendapatkan hasil
percobaan yang maksimal.
15
BAB V
KESIMPULAN
Kesimpulan yang bisa diambil dari percobaan panas yang ditimbulkan oleh
arus listrik (L1) adalah:
1. Pada percobaan rangkaian A diperoleh harga panas rata – rata pada sistem
dengan perbandingan harga panas air dan kalorimeter yaitu 1 joule = 0,272
kalori.
2. Pada percobaan rangkaian B yaitu 1 joule = 0,243 kalori.
3. Pada percobaan rangkaian B tergolong berhasil mendekati teori 1 joule = 0,24
kalori.
4. Pada percobaan rangkaian B jumlah energi panas yang ditransfer dari
rangkaian listrik ke kalorimeter tergolong maksimal.
16
DAFTAR PUSTAKA
Dosen – dosen Fisika FMIPA ITS. 2012. Fisika 1. Surabaya : ITS Press
Giancoli, C Douglas. 2001. Fisika Jilid 1. Jakarta : Penerbit Erlangga.
Halliday, David. 2010. Physics 3rd Edition. USA : John Wiley and Sons, Inc.
Serway, A Raymond. 2010. Physics for Scientists and Engineers with Modern
Physics. USA : Dartmouth Publishing, inc.
Zemansky dan Sears. 2006. Fisika Universitas. Jakarta : Penerbit Erlangga.
17
LAMPIRAN
Ralat
Tabel 1 Pada rangkaian pertama dan arus 0,5 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
149.4
-97.4
9486.76
255.6
8.8
77.44
335.4
88.6
7849.96
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 17414.16
𝑡 = 246.8
t(s)
Ralat mutlak
Ralat nisbi
Keseksamaan
:∆=
𝟐
∆=
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟏𝟕𝟒𝟏𝟒.𝟏𝟔
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 53.873
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟓𝟑.𝟖𝟕𝟑
x 100%
I=
𝟐𝟒𝟔.𝟖
I = 21.828%
: K = 100% - I
K = 100% - 21.828%
K = 78.171%
Tabel 2 Pada rangkaian pertama dan arus 0,6 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
73.8
-55.6
3091.36
126
-3.4
11.56
188.4
59
3481
𝑡 = 129.4
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 6583.92
t(s)
Ralat mutlak
:∆=
∆=
Ralat nisbi
Keseksamaan
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟐 𝟔𝟓𝟖𝟑.𝟗𝟐
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 33.125
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟑𝟑.𝟏𝟐𝟓
I=
x 100%
𝟏𝟐𝟗.𝟒
I = 25.599%
: K = 100% - I
K = 100% - 25.599%
K = 74.4%
18
Tabel 3 Pada rangkaian kedua dan arus 0,5 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
31 -61.866667
3827.48444
61 -31.866667
1015.48444
186.6 93.7333333
8785.93778
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 13628.906
𝑡 = 92.866
t(s)
Ralat mutlak
:∆=
∆=
Ralat nisbi
Keseksamaan
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟐 𝟏𝟑𝟔𝟐𝟖.𝟗𝟎𝟔
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 47.66
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟒𝟕.𝟔𝟔
I=
x 100%
𝟗𝟐.𝟖𝟔𝟔
I = 51.32%
: K = 100% - I
K = 100% - 51.32%
K = 48.679%
Tabel 4 Pada rangkaian kedua dan arus 0,6 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
91.8
-75.6
5715.36
153.6
-13.8
190.44
256.8
89.4
7992.36
𝑡 = 167.4
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 13898.16
t(s)
Ralat mutlak
:∆=
∆=
Ralat nisbi
Keseksamaan
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟐 𝟏𝟑𝟖𝟗𝟖.𝟏𝟔
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 48.128
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟒𝟖.𝟏𝟐𝟖
I=
x 100%
𝟏𝟔𝟕.𝟒
I = 28.75%
: K = 100% - I
K = 100% - 28.75%
K = 71.249%
19
TUGAS
PENDAHULUAN
Nama
: Zahrotun Nisa’
N R P
: 1413100014
Tgl. Prak.
: 21 Maret 2014
Kode Percobaan : L1
Nama Asst.
: Depta Mahardika
1. Yang lebih menguntungkan diantara kedua rangkaian tersebut adalah rangkaian
(a)
karena hambatan / resistor diletakkan pada akhir rangkaian sehingga arus
dapat lewat dengan lancar di bagian awal. Sedangkan pada rangkaian (b) yang
hambatan / resistor diletakkan pada awal rangkaian menyebabkan perjalanan
arus tersendat dengan adanya hambatan tersebut.
2. Standard resistor atau resistor tetap merupakan resistor yang nilainya tidak
dapat berubah, jadi selalu tetap (konstan). Resistor ini biasanya dibuat dari
nikelin atau karbon. Fungsinya yakni sebagai pembagi tegangan, mengatur atau
membatasi arus pada suatu rangkaian serta memperbesar dan memperkecil
tegangan. Karena dibatasi, maka arus (I) bernilai konstan.
3. Hambatan (R) yang dialiri arus listrik (I) akan menimbulkan beda tegangan V
antar ujung-ujung berarti daya listriknya:
P = V . I Karena V = I . R maka daya listriknya dapat dirumuskan
menjadi:
P = I² . R
P = Daya listrik (watt)
Bila arus listrik mengalir selama t detik energi listrik yang terpakai ialah:
W = I² . R . t
t = Waktu (t)
Sedangkan bunyi hukum joule: “ Pembentukan panas persatuan waktu
berbanding lurus dengan kuadrat arus”.
Hukum joule menuliskan bagaimana tenaga listrik diubah kedalam tenaga
termal. Dalam percobaannya, Joule menggunakan air di dalam sebuah selinder
20
yang diaduk dengan suhu yang berputar. Beberapa lama kemudian suhu air
akan naik, hal ini disebabkan karena suhu bergesekan dengan air. Menurut
Joule gerakan elektron akan mendapatkan tenaga kinetik pada setiap tumbukan
dan tenaga itu berubah menjadi panas. Joule juga merumuskan juga
perbandingan jumlah satuan usaha dengan jumlah
satuan panas yang
dihasilkan selalu sama, sehingga:
Q=W
Q=V.I.t
Q = panas yang ditimbulkan arus listrik (Joule atau kalori)
V = tegangan listrik (volt)
I = arus listrik
4. Faktor - faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena tahanan
suatu jenis material sangat tergantung pada :
• Panjang penghantar (l)
• Luas penampang konduktor (A)
• Jenis konduktor
• Temperatur (K)
"Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur. Ketika temperatur
meningkat, ikatan atom makin kuat sehingga elektron – elektron sulit bergerak
bebas dan aliran elektron menjadi terhambat. Tahanan penghantar memiliki
sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan. Dengan demikian kenaikan
temperatur menyebabkan kenaikan tahanan penghantar"
21
PANAS YANG DITIMBULKAN OLEH ARUS LISTRIK (L1)
ZAHROTUN NISA’
1413100014
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
ABSTRAK
Telah dilakukan percobaan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik dengan kode
percobaan L1. Tujuan percobaan L1 adalah menentukan panas yang ditimbulkan arus listrik,
membuktikan hukum joule dan menentukan harga satu joule. Pada percobaan ini dilakukan
dengan membandingkan dua rangkaian dimana nantinya akan nampak salah satu rangkaian
yang menguntungkan untuk memenuhi tujuan dari percobaan L1. Prinsipnya adalah
menghitung waktu yang diperlukan dalam menaikkan suhu sebesar 1oC. Dari percobaan
dengan rangkaian A didapat harga panas rata – rata pada sistem (panas ini akibat dari
tumbukan elektron – elektron pada arus listrik) dengan perbandingan harga panas air dan
kalorimeter (panas ini akibat transfer energi dari arus listrik ke dalam kalorimeter) yaitu 1
joule = 0,272 kalori. Sedang pada rangkaian B yaitu 1 joule = 0,243 kalori.
Keywords
: Arus listrik, tumbukan antar elektron, panas, hukum joule, kalorimeter,
transfer energi.
i
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ................................................................................................................. ii
BAB I ............................................................................................................................ 1
PENDAHULUAN ........................................................................................................ 1
1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1
1.2 Permasalahan....................................................................................................... 1
1.3 Tujuan ................................................................................................................. 1
BAB II ........................................................................................................................... 2
DASAR TEORI ............................................................................................................ 2
2.1 Arus ..................................................................................................................... 2
2.2 Hambatan ............................................................................................................ 3
2.3 Hambatan Jenis / Resistivitas .............................................................................. 3
2.4 Energi dan Daya Listrik ...................................................................................... 4
2.5 Kalor.................................................................................................................... 5
2.6 Perbedaan antara Temperatur, Kalor, dan Energi Dalam ................................... 6
2.7 Perpindahan Kalor ............................................................................................... 7
2.8 Kalorimeter dan Prinsip Kerjanya ....................................................................... 7
BAB III ......................................................................................................................... 9
METODOLOGI PERCOBAAN ................................................................................... 9
3.1 Peralatan dan Bahan ............................................................................................ 9
3.2 Cara Kerja ........................................................................................................... 9
BAB IV ....................................................................................................................... 11
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN ................................................................. 11
4.1 Analisa Data ...................................................................................................... 11
4.2 Perhitungan ....................................................................................................... 11
4.3 Grafik ................................................................................................................ 14
4.4 Pembahasan ....................................................................................................... 15
BAB V......................................................................................................................... 16
KESIMPULAN ........................................................................................................... 16
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 17
LAMPIRAN ................................................................................................................ 18
ii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Arus listrik terdiri dari muatan – muatan yang bergerak. Bila gerakan –
gerakan tersebut berlangsung di dalam sebuah lintasan konduksi yang membentuk
sebuah simpal tertutup, maka lintasan itu dinamakan rangkaian listrik. Rangkaian
listrik memiliki fungsi tersendiri dimana ia dapat menghantarkan energi dari satu
tempat ke tempat lain.
Sewaktu partikel bermuatan bergerak di dalam sebuah rangkaian, maka
energi potensial dipindahkan dari suatu sumber (seperti aki atau generator) ke sebuah
alat tempat energi tersebut disimpan ke dalam bentuk energi lain menjadi energi
kalor. Dalam percobaan L1 transfer energi menjadi panas terjadi di dalam
kalorimeter. Kalorimeter memungkinkan kita mengetahui Q dengan menghitung
waktu yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar 1oC.
1.2 Permasalahan
Permasalahan dalam percobaan ini adalah bagaimana cara menentukan
panas yang ditimbulkan oleh arus listrik, lalu membuktikan Hukum Joule dan
menentukan harga 1 Joule.
1.3 Tujuan
Tujuan percobaan ini adalah menentukan panas yang ditimbulkan oleh
arus listrik, membuktikan Hukum Joule dan menentukan harga 1 Joule.
1
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Arus
Arus merupakan gerak muatan – muatan dari satu daerah ke daerah
lainnya. Bila gerakan – gerakan tersebut berlangsung di dalam sebuah lintasan
konduksi yang membentuk sebuah simpal tertutup, maka lintasan itu dapat disebut
dengan rangkaian listrik. Analisa muatan dapat dicontohkan pada sebuah konduktor.
Konduktor berupa logam misalnya akan memiliki muatan yang tidak akan diam
walau medan listrik nol maupun tidak ada arus. Elektron pada partikel konduktor
akan bergerak secara acak seperti perumpamaan molekul – molekul gas (Zemansky,
2006).
Tumbukan yang terjadi antar elektron menimbulkan getaran partikel suatu
konduktor. Ketika konduktor diberi perlakuan seperti pemberian beda potensial, maka
tumbukan elektron – elektron akan semakin keras. Otomatis kecepatan tumbukan
bertambah dan getaran partikel menjadi besar. Dari kejadian diatas timbulah panas
yang disebabkan oleh arus. Arus listrik didefinisikan sebagai jumlah total muatan
yang melewati suatu konduktor per satuan waktu. Atau dapat ditulis
I=
Δ𝑄
Δ𝑡
………………………………………………………………….(2.1)
(Zemansky, 2006)
Arus bukanlah sebuah vektor. Dalam sebuah konduktor yang mengangkut
arus, tidak peduli seberapa panjang atau melengkung, arus selalu mengalir. Hanya
saja ada istilah arus positif ketika mengalir dalam satu arah. Satuan SI dari arus
adalah ampere. Satu ampere didefinisikan sebagai satu coulomb per detik (1A = 1C/s)
(Zemansky, 2006).
Menurut konvensi, arus searah dengan muatan positif atau istilahnya
proton. Sedangkan muatan – muatan yang bergerak sampai bertumbukan adalah suatu
elektron atau muatan negatif. Jadi arah arus berlawanan dengan muatan bergerak
pada partikel suatu konduktor.
2
Arus dapat dinyatakan dalam kecepatan menyimpang dari muatan yang
bergerak. Dimisalkan sebuah konduktor (kawat penghantar) memiliki luas
penampang A. Lalu n adalah jumlah partikel – partikel pembawa muatan bebas per
satuan volume. Diumpamakan partikel membawa muatan q dan kecepatan alir vd.
Dalam waktu ∆t, partikel mengalir ke dalam silinder dengan volume Avd∆t dan
banyaknya partikel nAvd∆t, sehingga arusnya
I=
Δ𝑄
Δ𝑡
= nqAvd………………………………………………………...(2.2)
(Serway, 2010).
2.2 Hambatan
Jika kita memakaikan perbedaan potensial yang sama antara ujung – ujung
tongkat tembaga dan
tongkat kayu yang mempunyai geometri serupa, maka
dihasilkan arus – arus yang sangat berbeda. Hal tersebut bisa terjadi karena adanya
karakteristik (sifat) suatu penghantar yang dinamakan hambatan (resistance). Kita
mendefinisikan hambatan dari sebuah penghantar diantara dua titik dengan
memakaikan sebuah perbedaan potensial V diantara titik – titik tersebut, dengan
mengukur arus i dan kemudian melakukan pembagian :
𝑉
R = …………………………………………………………………...(2.3)
𝑖
Jika V dinyatakan dalam volt dan I dinyatakan dalam ampere, maka hambatan akan
dinyatakan dalam ohms ( Ω ) (Halliday, 2010).
2.3 Hambatan Jenis / Resistivitas
Suatu ketika mungkin pernah terbesit dalam pikiran kita bahwa hambatan
suatu konduktor berupa kawat dengan volume tebal akan lebih kecil bila
dibandingkan tipis. Karena ketika hambatan seolah – olah menghadang, elektron
tetap memiliki jalan lebar untuk lewat ketika jenis kawatnya tebal. Adalagi
pandangan bahwa hambatan akan besar ketika kawat berukuran panjang karena akan
lebih banyak hambatan tersebar untuk menghalangi ruang gerak elektron. Sesuai
3
kedua pernyataan diatas bahwasanya hambatan (R) kawat logam berbanding lurus
dengan panjang (L) dan berbanding terbalik dengan luas penampang (A).
𝐿
R = ρ …………………………………………………………………(2.4)
𝐴
Dimana ρ merupakan hambatan jenis atau resistivitas yang berupa konstanta dimana
nilainya bergantung pada bahan yang digunakan. Nilai ρ memiliki satuan Ω.m
(Halliday, 2010).
2.4 Energi dan Daya Listrik
Hubungan energi dan daya dalam rangkaian listrik dapat dianalisis dengan
suatu contoh berikut. Mari melihat gambar dibawah ini
Va
Vb
I
I
Gambar 2.1 Masukan daya P untuk bagian rangkaian diantara a dan b
Kotak gambar 2.1 menyatakan rangkaian dengan selisih potensial Va – Vb = Vab
diantara terminal – terminal dan arus I yang lewat melalui rangkaian itu dalam arah
dari a menuju b. Sewaktu muatan lewat, medan listrik melakukan kerja pada muatan
tersebut (Zemansky, 2006).
Kerja total yang dilakukan pada sebuah muatan q yang lewat melalui
elemen rangkaian sama dengan hasilkali q dan selisih potensial Vab. Bila Vab positif,
gaya listrik melakukan sejumlah kerja positif qVab pada muatan itu sewaktu muatan
jatuh dari potensial Va ke potensial Vb yang lebih rendah. Jika arus itu adalah I, maka
dalam selang waktu dt, sejumlah muatan dQ = I dt lewat. Kerja dW yang dilakukan
dW = Vab.dQ = Vab.I dt………………………………………………(2.5)
Kerja ini menyatakan energi listrik yang dipindahkan ke dalam elemen rangkaian ini.
Laju perpindahan energi terhadap waktu disebut daya (P). Dengan membagi
4
persamaan diatas dengan dt, didapat laju pada bagian selebihnya dari rangkaian itu
menghantar energi listrik ke dalam elemen rangkaian ini
𝑑𝑊
𝑑𝑡
= P = Vab.I………………………………………………………...(2.6)
Satuan Vab adalah satu volt atau satu joule per coulomb, satuan I adalah ampere atau
satu coulomb per detik. Maka satuan Vab.I adalah satu watt.
(1 J/C) (1 C/s) = 1 J/s = 1 W (Zemansky, 2006).
Jika elemen rangkaian pada gambar 2.1 adalah sebuah resistor, maka
selisih potensial itu adalah Vab = I.R. Dari persamaan 2.6 daya listrik yang diantar ke
resistor oleh rangkaian itu adalah
P = Vab.I = I².R =
𝑉𝑎𝑏 ²
𝑅
………………………………………………...(2.7)
Dalam kasus ini potensial di a selalu lebih tinggi daripada di b. Persamaan 2.7
menyatakan laju perpindahan energi potensial listrik ke dalam rangkaian (Zemansky,
2006).
2.5 Kalor
Istilah kalor sering digunakan dalam kehidupan sehari – hari, namun
terkadang ada kesalahan definisi dari kalor sendiri. Misalnya kita berbicara mengenai
aliran kalor, kalor mengalir dari kompor ke ketel, panas matahari yang diterima bumi,
atau kalor dari mulut seseorang ke termometer demam. Seakan – akan kalor mengalir
dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain
dengan temperatur yang lebih rendah. Bisa dibilang aliran kalor sebagai gerakan zat
fluida. Itu memang konsep kalor zaman dahulu sekitar abad 18, namun sekarang kita
dapat memandang kalor berhubungan dengan kerja dan energi (Giancoli, 2001).
Satuan kalor disebut kalori (kal) dan didefinisikan sebagai kalor yang
dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat celcius. Yang
lebih sering digunakan dari kalori adalah kilokalori (kkal) yang sebanding dengan
1000 kalori. Dengan demikian, 1 kkal adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan
temperatur 1 kg air sebesar 1 derajat celcius (Giancoli, 2001).
5
Gagasan bahwa kalor berhubungan dengan energi diteliti lanjut oleh
James Prescott Joule (1818 – 1889). Joule melakukan sejumlah percobaan untuk
menetapkan pandangan kita bahwa kalor seperti kerja, merepresentasikan transfer
energi. Joule juga menetukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu
ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186
joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal sebagai tara
kalor mekanik (Giancoli, 2001).
Para ilmuwan kemudian menginterpresentasikan bahwa kalor bukan
sebagai zat. Melainkan kalor merupakan transfer energi. Ketika kalor mengalir dari
benda panas ke yang lebih dingin, energi-lah yang ditransfer dari yang panas ke yang
dingin. Dengan demikian kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke
yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur. Dalam satuan SI, satuan untuk
kalor sebagaimana untuk bentuk energi lain adalah joule. Tetapi satuan kalor
sebelumnya yakni kalori tetap dapat digunakan (Giancoli, 2001).
2.6 Perbedaan antara Temperatur, Kalor, dan Energi Dalam
Jumlah total dari semua energi pada semua molekul di sebuah benda
disebut energi termal atau energi dalam. Sedangkan kalor yang telah dibahas
sebelumnya, mengacu ke jumlah energi yang ditransfer dari satu benda ke yang
lainnya pada temperatur yang berbeda. Dengan menggunakan teori kinetik, kita dapat
membuat perbedaan yang jelas antara temperatur, kalor dan energi dalam.
Temperatur (dalam Kelvin) merupakan pengukuran dari energi kinetik rata – rata dari
molekul secara individu. Energi termal atau energi dalam mengacu pada energi total
dari semua molekul pada benda. Kalor mengacu pada transfer energi (energi termal
contohnya) dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur
(Giancoli, 2001).
6
2.7 Perpindahan Kalor
Kalor berpindah dari satu tempat atau benda ke yang lainnya dengan tiga
cara yakni konduksi, konveksi, dan radiasi. Namun kali ini akan dibahas mengenai
konduksi yang ada kaitannya dengan tumbukan molekul – molekul seperti pada
percobaan. Konduksi kalor pada banyak materi dapat digambarkan sebagai hasil
tumbukan molekul – molekul. Bila satu ujung suatu konduktor dipanaskan, molekul –
molekul di tempat itu bergerak lebih cepat dan semakin cepat. Molekul – molekul ini
kemudian juga mentransfer sebagian energi mereka dengan molekul – molekul lain
sepanjang suatu konduktor tersebut. Dengan demikian energi gerakan termal
ditransfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda. Pada logam, tumbukan antara
elektron – elektron bebas di dalam logam dan dengan atom logam tersebut terutama
mengakibatkan untuk terjadinya konduksi (Giancoli, 2001).
Konduksi kalor hanya terjadi jika ada perbedaan temperatur. Dan memang
ditemukan pada percobaan bahwa kecepatan aliran kalor melalui benda sebanding
dengan perbedaan temperatur antara ujung – ujungnya. Kecepatan aliran kalor juga
bergantung pada ukuran dan bentuk benda. Ditemukan dari percobaan bahwa aliran
kalor ∆𝑄 per selang waktu ∆t dinyatakan oleh hubungan
∆𝑄
∆𝑡
= kA
𝑇1−𝑇2
𝑙
………………………………………………………….(2.8)
Dimana A adalah luas penampang lintang benda, l adalah jarak antara kedua ujung
yang mempunyai temperatur T1 dan T2, dan k adalah konstanta pembanding yang
disebut konduktivitas termal, yang merupakan karakteristik materi tersebut. Zat – zat
dengan k besar, menghantarkan kalor dengan cepat dan dinamakan konduktor yang
baik. Sedangkan zat – zat yang memiliki k kecil, merupakan penghantar kalor yang
buruk atau biasa disebut isolator (Giancoli, 2001).
2.8 Kalorimeter dan Prinsip Kerjanya
Kalorimeter merupakan alat yang digunakan untuk menetukan besarnya
kapasitas panas suatu zat. Dalam percobaan L1, digunakan kalorimeter air berdinding
7
ganda. Kalorimeter ini terdiri atas bejana logam berdinding tipis, yang permukaan
luarnya diberi lapisan nikel untuk mengurangi kehilangan panas karena radiasi.
Bejana ini berisi air yang dihitung terlebih dahulu massanya dan mempunyai tutup
yang berlubang untuk dapat dimasuki termometer. Kehilangan panas dapat dikurangi
lagi dengan memasukkan bejana tersebut ke dalam bejana lain.
Jika suatu rangkaian diberi tegangan, maka tegangan dari potensial tinggi
akan bergerak menuju potensial rendah, peristiwa inilah yang menyebabkan
tumbukan antar elektron terjadi dan adanya arus listrik. Elektron – elektron terus
bertumbukan hingga arus sampai pada kalorimeter. Di dalam kalorimeter sendiri
elektron – elektron bertumbukan juga dengan partikel konduktor berupa kawat spiral
yang merupakan bagian dari kalorimeter. Setelah itu terjadilah transfer energi berupa
panas kepada kalorimeter.
Jika pada kalorimeter tersebut diberikan sejumlah panas Q yang belum
diketahui, maka dengan membaca termometer sebelum dan sesudah dimasukkan
panas tadi, dapatlah diketahui harga Q berdasarkan kenaikkan temperatur yang terjadi
(Dosen – dosen Fisika FMIPA ITS, 2012).
Gambar 2.2 Kalorimeter
8
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1 Peralatan dan Bahan
Peralatan dan bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah
kalorimeter dengan perlengkapannya satu set, thermometer satu buah, adaptor satu
buah, stopwatch satu buah, tahanan geser (Rg) satu buah, amperemeter (A) dan
voltmeter masing – masing satu buah.
3.2 Cara Kerja
Skema Alat
E
+
-
V
-
A
+
Thermometer
+
K
(a)
Gambar 3.1 Rangkaian 1
_
+
A
V
E
+
-
_
V
+
Thermometer
K
(b)
Gambar 3.2 Rangkaian 2
9
Dibuat rangkaian seperti gambar 3.1, dihubungkan tegangan PLN seijin
asisten. Diisi kalorimeter K dengan air, lalu dicatat massa air dalam kalorimeter.
Diberi beda potensial selama 10 menit, diusahakan arus konstan dengan mengatur
tahanan geser Rg. Dicatat kenaikan suhu tiap 30 detik selama 10 menit. Dilakukan
serangkaian langkah diatas untuk rangkaian seperti gambar 3.2.
10
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa Data
Dari percobaan yang telah dilakukan dengan dua tipe rangkaian, maka
diperoleh data sebagai berikut:
Tabel 4.1 Hasil pengamatan pada percobaan dengan rangkaian pertama
No.
Massa Air
Arus
(g)
Listrik (A)
To (oC)
1.
2.
3.
4.
0,5
12
120
5.
0,6
10
6.
T (oC)
t (menit)
13
2,49
14
4,26
15
5,59
11
1,23
12
2,10
13
3,14
Tegangan
(V)
9,5
11,5
Tabel 4.2 Hasil pengamatan pada percobaan dengan rangkaian kedua
No.
Massa Air
Arus
(g)
Listrik (A)
To (oC)
1.
2.
3.
4.
0,5
10
70,1
5.
0,6
10
6.
T (oC)
t (menit)
11
0,31
12
1,01
13
3,11
11
1,53
12
2,56
13
4,28
Tegangan
(V)
12
15
4.2 Perhitungan
Diambil sample dari percobaan dengan rangkaian pertama, pengulangan kesatu
Diketahui:
massa air
: 120 g
Arus listrik (I)
: 0,5 A
∆T (T – To)
: 1oC
Waktu (t)
: 2,49 menit = 169 detik
11
Tegangan (V)
Ditanya:
a. H (Joule)
: 9,5 V
=?
b. Q (Kalori) = ?
Jawab:
a. H = V I t
H = 9,5 x 0,5 x 169
H = 802,75 Joule
b. Q = Q1 + Q2
Q = (massa air x ∆T) + (0,26 x massa air x ∆T)
Q = (120 x 1) + (0,26 x 120 x 1)
Q = 120 + 31,2
Q = 151,2 Kalori
Tabel 4.3 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 120 g dan Arus listrik 0,5 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
Q
𝑇𝑜
(Joule) (kalori)
(kalori) (kalori)
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
12
13
1
169
9.5 802.75
120
31.2
151.2
12
14
2
266
9.5 1263.5
240
62.4
302.4
12
15
3
359
9.5 1705.25
360
93.6
453.6
Tabel 4.4 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 120 g dan Arus listrik 0,6 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
Q
𝑇𝑜
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
(Joule) (kalori)
(kalori) (kalori)
10
11
1
83
11.5
572.7
120
31.2
151.2
10
12
2
130
11.5
897
240
62.4
302.4
10
13
3
194
11.5 1338.6
360
93.6
453.6
Tabel 4.5 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 70,1 g dan Arus listrik 0,5 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
𝑇𝑜
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
(Joule) (kalori)
(kalori)
10
11
1
31
12
186
70.1 18.226
10
12
2
61
12
366
140.2 36.452
10
13
3
191
12
1146
210.3 54.678
Q
(kalori)
88.326
176.652
264.978
12
Tabel 4.6 Perhitungan Rangkaian Pertama dengan Massa Air 70,1 g dan Arus listrik 0,6 A
T
∆T t
tegangan H
Q1
Q2
𝑇𝑜
(ᵒC) (ᵒC) (ᵒC) (detik) (V)
(Joule) (kalori)
(kalori)
10
11
1
113
15
1017
70.1 18.226
10
12
2
236
15
2124
140.2 36.452
10
13
3
268
15
2412
210.3 54.678
Q
(kalori)
88.326
176.652
264.978
Tabel 4.7 Perhitungan H dan Q
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
H
(Joule)
802.75
1263.5
1705.25
572.7
897
1338.6
186
366
1146
1017
2124
2412
Q
(Kalori)
151.2
302.4
453.6
151.2
302.4
453.6
88.326
176.652
264.978
88.326
176.652
264.978
Tabel 4.8 Perbandingan Joule dengan Kalori
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Rata –Rata =
Joule
Kalori
1
0.188353
1
0.239335
1
0.266002
1
0.264013
1
0.337124
1
0.338861
1
0.474871
1
0.482656
1
0.23122
1
0.08685
1
0.083169
1
0.109858
1 : 0,258
13
Suhu (ᵒC)
4.3 Grafik
16
15
14
13
12
Grafik 1
0
100
200
300
400
Waktu (s)
Suhu (ᵒC)
Grafik 4.1 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian pertama dengan arus 0,5 A
14
13
12
11
10
Grafik 2
0
50
100
150
200
250
Waktu (s)
Suhu (ᵒC)
Grafik 4.2 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian pertama dengan arus 0,6 A
14
13
12
11
10
Grafik 3
0
50
100
150
200
250
Waktu (s)
Suhu (ᵒC)
Grafik 4.3 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian kedua dengan arus 0,5 A
14
13
12
11
10
Grafik 4
0
50
100
150
200
250
300
Waktu (s)
Grafik 4.4 Grafik waktu terhadap suhu pada rangkaian kedua dengan arus 0,6 A
14
4.4 Pembahasan
Percobaan L1 dilakukan dengan menggunakan dua rangkaian, yakni
rangkaian A dan rangkaian B. Perbedaan kedua rangkaian ada pada pemberian
tahanan geser dimana tahanan geser pada rangkaian A diletakkan di akhir dan B di
awal rangkaian. Percobaan ini memakai dua variasi arus pada masing – masing
rangkaian yakni 0,5 A dan 0,6 A. Karena terjadi miskomunikasi, masing – masing
rangkaian memakai massa berbeda, 120 g pada rangkaian A dan 70,1 g pada
rangkaian B.
Dari data percobaan rangkaian A dengan arus 0,5 A diperoleh harga panas
rata – rata pada sistem dengan perbandingan harga panas air dan kalorimeter yaitu 1
joule = 0,231 kalori. Dengan arus 0,6 A yaitu 1 joule = 0,313 kalori. Rangkaian B
dengan arus 0,5 A yaitu 1 joule = 0,395 kalori. Dengan arus 0,6 A yaitu 1 joule =
0,092 A. Rata – rata pada rangkaian A yaitu 1 joule = 0,272 kalori dan rangkaian B
yaitu 1 joule = 0,243 kalori. Dalam teori dikatakan bahwa 1 joule = 0,24 kalori, itu
artinya rangkaian B lah yang menurut saya menguntungkan dalam hal ini karena
cukup mendekati.
Peletakan tahanan geser di awal pada rangkaian B menjaga arus konstan dari
awal perjalanan hingga berakhir di kalorimeter. Dengan terjaganya arus, tegangan
juga menjadi stabil jalannya sehingga ketika berada di kalorimeter, transfer energi
panas bisa maksimal, waktu yang diperlukan pun relatif lebih singkat. Bila
dibandingkan dengan rangkaian A, dimana tahanan geser diletakkan di akhir
membuat arus menjadi tidak stabil pada awal perjalanan hingga mungkin pada
akhirnya menyebabkan transfer energi panas kurang maksimal serta waktu yang
dibutuhkan sedikit lebih lama.
Hasil percobaan tidak menunjukkan tepat 0,24 kalori. Hal ini mungkin
disebabkan ketelitian dalam pengukuran kami yang masih kurang. Bisa jadi ada
faktor x telah terjadi pada lingkungan (seperti masalah pada suhu di lingkungan
percobaan) atau peralatan sehingga kurang mendukung untuk mendapatkan hasil
percobaan yang maksimal.
15
BAB V
KESIMPULAN
Kesimpulan yang bisa diambil dari percobaan panas yang ditimbulkan oleh
arus listrik (L1) adalah:
1. Pada percobaan rangkaian A diperoleh harga panas rata – rata pada sistem
dengan perbandingan harga panas air dan kalorimeter yaitu 1 joule = 0,272
kalori.
2. Pada percobaan rangkaian B yaitu 1 joule = 0,243 kalori.
3. Pada percobaan rangkaian B tergolong berhasil mendekati teori 1 joule = 0,24
kalori.
4. Pada percobaan rangkaian B jumlah energi panas yang ditransfer dari
rangkaian listrik ke kalorimeter tergolong maksimal.
16
DAFTAR PUSTAKA
Dosen – dosen Fisika FMIPA ITS. 2012. Fisika 1. Surabaya : ITS Press
Giancoli, C Douglas. 2001. Fisika Jilid 1. Jakarta : Penerbit Erlangga.
Halliday, David. 2010. Physics 3rd Edition. USA : John Wiley and Sons, Inc.
Serway, A Raymond. 2010. Physics for Scientists and Engineers with Modern
Physics. USA : Dartmouth Publishing, inc.
Zemansky dan Sears. 2006. Fisika Universitas. Jakarta : Penerbit Erlangga.
17
LAMPIRAN
Ralat
Tabel 1 Pada rangkaian pertama dan arus 0,5 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
149.4
-97.4
9486.76
255.6
8.8
77.44
335.4
88.6
7849.96
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 17414.16
𝑡 = 246.8
t(s)
Ralat mutlak
Ralat nisbi
Keseksamaan
:∆=
𝟐
∆=
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟏𝟕𝟒𝟏𝟒.𝟏𝟔
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 53.873
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟓𝟑.𝟖𝟕𝟑
x 100%
I=
𝟐𝟒𝟔.𝟖
I = 21.828%
: K = 100% - I
K = 100% - 21.828%
K = 78.171%
Tabel 2 Pada rangkaian pertama dan arus 0,6 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
73.8
-55.6
3091.36
126
-3.4
11.56
188.4
59
3481
𝑡 = 129.4
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 6583.92
t(s)
Ralat mutlak
:∆=
∆=
Ralat nisbi
Keseksamaan
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟐 𝟔𝟓𝟖𝟑.𝟗𝟐
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 33.125
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟑𝟑.𝟏𝟐𝟓
I=
x 100%
𝟏𝟐𝟗.𝟒
I = 25.599%
: K = 100% - I
K = 100% - 25.599%
K = 74.4%
18
Tabel 3 Pada rangkaian kedua dan arus 0,5 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
31 -61.866667
3827.48444
61 -31.866667
1015.48444
186.6 93.7333333
8785.93778
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 13628.906
𝑡 = 92.866
t(s)
Ralat mutlak
:∆=
∆=
Ralat nisbi
Keseksamaan
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟐 𝟏𝟑𝟔𝟐𝟖.𝟗𝟎𝟔
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 47.66
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟒𝟕.𝟔𝟔
I=
x 100%
𝟗𝟐.𝟖𝟔𝟔
I = 51.32%
: K = 100% - I
K = 100% - 51.32%
K = 48.679%
Tabel 4 Pada rangkaian kedua dan arus 0,6 A
t-𝑡
( t - 𝑡 )2
91.8
-75.6
5715.36
153.6
-13.8
190.44
256.8
89.4
7992.36
𝑡 = 167.4
(𝑡 − 𝑡 ) ²= 13898.16
t(s)
Ralat mutlak
:∆=
∆=
Ralat nisbi
Keseksamaan
𝟐
(𝒕−𝒕 )²
𝒏(𝒏−𝟏)
𝟐 𝟏𝟑𝟖𝟗𝟖.𝟏𝟔
𝟑(𝟑−𝟏)
∆ = 48.128
∆
: I = x 100%
𝒕
𝟒𝟖.𝟏𝟐𝟖
I=
x 100%
𝟏𝟔𝟕.𝟒
I = 28.75%
: K = 100% - I
K = 100% - 28.75%
K = 71.249%
19
TUGAS
PENDAHULUAN
Nama
: Zahrotun Nisa’
N R P
: 1413100014
Tgl. Prak.
: 21 Maret 2014
Kode Percobaan : L1
Nama Asst.
: Depta Mahardika
1. Yang lebih menguntungkan diantara kedua rangkaian tersebut adalah rangkaian
(a)
karena hambatan / resistor diletakkan pada akhir rangkaian sehingga arus
dapat lewat dengan lancar di bagian awal. Sedangkan pada rangkaian (b) yang
hambatan / resistor diletakkan pada awal rangkaian menyebabkan perjalanan
arus tersendat dengan adanya hambatan tersebut.
2. Standard resistor atau resistor tetap merupakan resistor yang nilainya tidak
dapat berubah, jadi selalu tetap (konstan). Resistor ini biasanya dibuat dari
nikelin atau karbon. Fungsinya yakni sebagai pembagi tegangan, mengatur atau
membatasi arus pada suatu rangkaian serta memperbesar dan memperkecil
tegangan. Karena dibatasi, maka arus (I) bernilai konstan.
3. Hambatan (R) yang dialiri arus listrik (I) akan menimbulkan beda tegangan V
antar ujung-ujung berarti daya listriknya:
P = V . I Karena V = I . R maka daya listriknya dapat dirumuskan
menjadi:
P = I² . R
P = Daya listrik (watt)
Bila arus listrik mengalir selama t detik energi listrik yang terpakai ialah:
W = I² . R . t
t = Waktu (t)
Sedangkan bunyi hukum joule: “ Pembentukan panas persatuan waktu
berbanding lurus dengan kuadrat arus”.
Hukum joule menuliskan bagaimana tenaga listrik diubah kedalam tenaga
termal. Dalam percobaannya, Joule menggunakan air di dalam sebuah selinder
20
yang diaduk dengan suhu yang berputar. Beberapa lama kemudian suhu air
akan naik, hal ini disebabkan karena suhu bergesekan dengan air. Menurut
Joule gerakan elektron akan mendapatkan tenaga kinetik pada setiap tumbukan
dan tenaga itu berubah menjadi panas. Joule juga merumuskan juga
perbandingan jumlah satuan usaha dengan jumlah
satuan panas yang
dihasilkan selalu sama, sehingga:
Q=W
Q=V.I.t
Q = panas yang ditimbulkan arus listrik (Joule atau kalori)
V = tegangan listrik (volt)
I = arus listrik
4. Faktor - faktor yang mempengaruhi nilai resistant atau tahanan, karena tahanan
suatu jenis material sangat tergantung pada :
• Panjang penghantar (l)
• Luas penampang konduktor (A)
• Jenis konduktor
• Temperatur (K)
"Tahanan penghantar dipengaruhi oleh temperatur. Ketika temperatur
meningkat, ikatan atom makin kuat sehingga elektron – elektron sulit bergerak
bebas dan aliran elektron menjadi terhambat. Tahanan penghantar memiliki
sifat menghambat yang terjadi pada setiap bahan. Dengan demikian kenaikan
temperatur menyebabkan kenaikan tahanan penghantar"
21