perpindahan kalor

PERPINDAHAN KALOR

(Diajukan untuk memenuhi tugas prasyarat masuk matakuliah Fisika Sekolah Lanjutan I)

Dosen Pengampu : Adam Malik, M.Pd

Oleh:

Rizal Mustasyfa I.R. (1122070065)

JURUSAN MIPA PRODI PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS TARBIYYAH DAN KEGURUAN

UIN SDG BANDUNG

2014

BAB I

A.    Latar Belakang Masalah

Kata kalor merupakan suatu hal yang tidak asing lagi di telinga, meski terkadang orang salah menafsirkan kata kalor ini menjadi suhu, padahal kalor berbeda dengan suhu. Kalor merupakan salah satu bentuk energy yang ada di bumi ini. Sedangkan suhu merupakan salah satu bentuk dari kalor.

Pada awalnya besaran kalor merupakan kalori, tapi setelah diketahui bahwa kalor adalah energy maka satuan kalorpun disamakan dengan satuan energy lain.

Disadari atau tidak, kalor banyak digunakan manusia untuk menunjang kehidupannya. Perlu di ketahui bahwa penggunaan kalor oleh manusia bukan kalornya secara langsung tapi berupa perpindahannya, atau berupa panas yang dihasilkannya.

Kalor sangat berguna bagi kehidupan manusia, dengan mempelajari kalor manusia menjadi lebih bisa memanfaatkannya. Dengan dasar itulah penyusun merasa sangat penting untuk menyusun makalah ini yang membahas tentang perpindahan kalor, perpindahan kalor yang dibahas baik secara konveksi maupun konduksi.

Semoga makalah ini dapat bermanfaat khususnya untuk penyusun dan umumnya untuk pembaca. Amiin

B.     Rumusan Masalah

1.      Apa yang di sebut dengan perpindahan kalor?

2.      Bagaimana cara kalor berpindah?

3.      Mengapa kalor haarus berpindah?

4.      Apa yang terjadi jika kalor berpindah pada zat yang lainnya?

C.     Tujuan

1.      Menyelidiki berbagai perpindahan kalor

2.      Menganalisis bahan yang baik dalam perpindahan kalor.

3.      Memanfaatkan kalor dalam terknologi tepat guna.

BAB II

A.    Peta Konsep

B.     Kerangka Teori

1.      Kalor Sebagai Transfer Energi

Secara umum kita membicarakan aliran kalor-kalor mengalir dari matahari ke bumi misalnya. Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain yang temperaturnya lebih rendah. Dan memang, model abad ke delapan belas dari kalor menggambarkan aliran kalor sebagai gerakan zat fluida yang disebut kalori. Bagaimanapun fluida kalori tidak pernah bisa di deteksi. Diabad ke Sembilan belas di temukan bahwa semua berbagai fenomena yang berhubungan dengan kalor dapat di deskripsikan secara konsisten tanpa perlu menggunakan model fluida. Model baru ini memandang bahwa kalor berhubungan dengan keja dan energy. Pertama kita lihat bahwa suatu satuan yang umum untuk kalor, yang masih digunakan sekarang, dinamakan kalori. Satuan ini disebut kalori (kal) yang di definisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperature 1 gram air sebesar 1 derajat Celsius.

Gagasan bahwa kalor berhubungan dengan energy dikerjakan lebih lanjut oleh ilmuan pada tahun 1800-an, terutama oleh James Precott Joule (1818-1889). Jole menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukkan kaor tertentu. Secara kuantitatif, kerja 4,186 Joule (J) ternyata ekivalen dengan satu kalori kalor. Nilai ini dikenal dengan tara kalor mekanik.

Sebagai hasil dari percobaan ini dan yang lainnya, para ilmuan kemudian menginterpretasikan kalor bukan sebai zat, dan bahkan bukan sebagai bentuk energy. Melainkan kalor merupakan transfer energy. Ketika kalor mengalir dari benda panas ke yang lebih dingin, energilah yang di transfer dari yang panas ke yang dingin. Dengan demikian, kalor merupakan energy yang di transfer dari suatu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperature.

2.      Perpindahan Kalor Secara Konduksi

Konduksi kalor pada banyak materi dapat digmbarkan sebagai hasil tumbukan molekul-molekul. Sementara satu ujung benda dipanaskan, molekul-molekul di tempat itu bergerak lebih cepat dan lebih cepat. Sementar bertumbukan dengan tetangga mereka yang bergerak lebih lambat, mereka mentranfer sebagian dari energy ke molekul-molekul lain yang lajunya kemudian bertanbah. Molekul-molekul ini uga kemudian mentranfer sebagian dari energy mereka dengan molekul lain sepanjang benda tersebut. Dengan demikian energy gerakan termal di transfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda. Pada logam, menurut teori modern, tumbukan antara electron-elektron bebas didalam logam dan dengan atom tersebut mengakibatkan terjadinyan konduksi.

Konduksi kalor hanya terjadi jika terdapat perbedan temperature. Dan memang di temukan pada percobaan bahwa kecepatan aliran kalor melalui benda sebanding dengan perbedaan temperature antara ujung-ujungnya.

Kalor yang mengalir dalam batang per satuan waktu dapat dinyatakan dalam hubungan:

               (1-16)

      (1-17)

dengan:
T₁ = ujung batang logam bersuhu tinggi,

T₂ = ujung batang logam bersuhu rendah,

A = luas penampang hantaran kalor dan batang logam,

L = panjang batang,

K = koefisien konduksi termal, dan

H = jumlah kalor yang merambat pada batang per satuan waktu per satuan luas.

     Perambatan kalor secara konduksi juga terjadi pada sendok yang digunakan. Oleh karena itu, tangkai sendok penggorengan dilapisi dengan bahan yang tidak menghantarkan kalor, seperti plastik atau kayu. Berikut tabel yang menyatakan nilai konduktivitas termal bebera pazat.

Tabel 1. Konduktivitas Termal Beberapa Zat

Zat	Koduktivitas termal
	Kkal/s.m.C	J/s.m.C
Perak	0,1	420
Tembaga	0,092	380
Alumunium	0,05	200
Baja	0,011	40
Es	0,0005	2
Gelas	0,0002	0,84
Batu bata dan Beton	0,0002	0,84
Air	0,00014	0,56
Jaringan tubuh manusia	0,00005	0,2
Kayu	0,00002-0,00004	0,08-0,16
Fiber glass	0,000012	0,048
Gabus dan serat kaca	0,00001	0,042
Wol	0,00001	0,04
Bulu angsa	0,000006	0,025
Busa	0,000006	0,024
Udara	0,0000055	0,023

3.      Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Perambatan kalor yang disertai perpindahan massa atau perpindahan partikel- partikel zat perantaranya disebut perpindahan kalor secara aliran atau konveksi. Rambatan kalor konveksi terjadi pada fluida atau zat alir, seperti pada zat cair, gas, atau udara.

Gambar 1. Rambatan kalor di dalam gas.

Apabila dua sisi yang berhadapan dari silinder pada Gambar 6. suhunya berbeda, akan terjadi aliran kalor dari dinding yang bersuhu T_a ke dinding yang bersuhu T_b. Besarnya kalor yang merambat tiap satuan waktu, dapat dituliskan sebagai berikut.

H = hA ΔT                    

dengan:
H = jumlah kalor yang berpindah tiap satuan waktu,

A = luas penampang aliran,

ΔT = perbedaan temperatur antara kedua tempat fluida mengalir, dan

h = koefisien konveksi termal.

     Besarnya koefisien konveksi termal dari suatu fluida bergantung pada bentuk dan kedudukan geometrik permukaan-permukaan bidang aliran serta bergantung pula pada sifat fluida perantaranya.

4.      Perpindahan Kalor Secara Radiasi

     Matahari merupakan sumber energi utama bagi manusia di permukaan bumi ini. Energi yang dipancarkan Matahari sampai di Bumi berupa gelombang elektromagnetik. Cara perambatannya disebut sebagai radiasi, yang tidak memerlukan adanya medium zat perantara. Semua benda setiap saat memancarkan energi radiasi dan jika telah mencapai kesetimbangan termal atau temperatur benda sama dengan temperatur lingkungan, benda tersebut tidak akan memancarkan radiasi lagi. Dalam kesetimbangan ini, jumlah energi yang dipancarkan sama dengan jumlah energi yang diserap oleh benda tersebut.

     Dari hasil percobaan yang dilakukan oleh Josef Stefan dan Ludwig Boltzmann, diperoleh besarnya energi per satuan luas per satuan waktu yang dipancarkan oleh benda yang bersuhu T, yakni

W = eσ T⁴                              (1–19)

dengan: 

W = energi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu (watt/m²),

σ = konstanta Stefan–Boltzmann = 5,672 × 10^–8 watt/m² K⁴,

T = temperatur mutlak benda (K), dan

e = koefisien emisivitas (0 < e ≤ 1).

BAB III

A.    Soal

1.      Uraian

1.      Batang logam dengan panjang 2 meter, memiliki luas penampang 20 cm² dan perbedaan temperatur kedua ujungnya 50 °C. Jika koefisien konduksi termalnya 0,2 kal/ms°C, tentukanlah jumlah kalor yang dirambatkan per satuan luas per satuan waktu.

2.      Suhu udara dalam sebuah ruangan sebesar 20°C, sedangkan suhu permukaan jendela padaruangan tersebut 30°C. Berapa laju kalor yang diterima oleh jendelakaca seluas 1,5 m², jika koefisien konveksi udara saat itu 7,5 X 10^J1 kal/s m² °C?

3.      Sebuah benda memiliki permukaan hitam sempurna bersuhu 127°C. Luas permukaan 300 cm² memancarkan energi ke lingkungan yang bersuhu 27°C. Tentukan energi per satuan waktu yang dipancarkan benda tersebut.

4.      Pengaduk terbuat dari aluminium dengan luas penampang 5 mm² dan panjang 10cm. Jika suhu air dalam bejana 60°C, suhu di ujung pengaduk 62°C, dan konduktivitas termal = 200 W/m°C, tentukan:
a.   kecepatan aliran kalor pada aliran kalor pada pengaduk,
b.   kalor yang mengalir melalui pengaduk Selama 1jam.

5.      Sebuah lempeng baja mempunyai luas penampang 20 cm² panjang 50 cm. Jika perubahan suhuyang terjadi antara 2 titik yang jaraknya 1 m pada lempeng baja tersebut adalah 50^o C dan Konduktivitas kalor dari lempeng baja tersebut adalah 0,16 W/mK. Berapa laju perpindahan kalor?

2.      Pilihan Ganda

1.      Batang aluminium (K_Al = 500 × 10–1 kal/m s °C) luas penampang ujungnya 1 cm²  Ujung-ujung batang bertemperatur 0 °C dan 20 °C. Banyaknya kalor yang merambat tiap sekon adalah ....

a. 0,1 kal/s

b. 0,2 kal/s

c. 0,5 kal/s

d. 0,7 kal/s

e. 10 kal/s

2.      Sebuah jendela kaca yang memiliki ukuran 200 cm x 150 cm dan tebal 6 mm bersuhu 30 C pada permukaan luarnya. Jika suhu permukaan dalamnya sebesar 20 C dan koofesien konduksi kaca p kal/(msK), maka jumlah kalor yang masuk tiap menit melalui jendela itu adalah….

a.       5 p kkal                                         d. 200 p kkal

b.      50 p kkal                                       e. 300 p kkal

c.       500 p kkal

3.      Panjang rel kereta api  masing-masing 10 meter, dipasang pada suhu 20 celsius. Diharaphan pada suhu 30 celsius rel tersebut saling bersentuhan. Koofesien muai rel kereta api . Jarak yang di perlukan kedua batang adalah….

a.       3,6 mm                                          d. 0.8 mm

b.      2,4 mm                                          e. 0,6 mm

c.       1,2 mm

4.      Sebuah bola berongga terbuat dari perunggu (koofisien muai linier  pada suhu  jari-jarinya 1 m. jika bola tersebut dipanaskan sampai suhu , maka pertambahan luas permukaan bola adalah sebesar…

a.                                d.

b.                              e.

c.      

5.      Sebuah bejana kaca (koofesien muai panjang  ) pada suhu  terisi penuh dengan  raksa (koofesien muai ruang . Pada saat suhunya , raksa akan tumpah sebanyak….

a.                                                  d.

b.                                                 e.

c.      

6.      Dua zat padat P dan Q yang mempunyai ukuran yang sama tetapi jenisnya berbeda dilekatkan seperti pada gambar di bawah. Apabila koefisien konduksi termal P adalah tiga kali koefisien konduksi termal Q, maka suhu pada bidang batas P dan Q adalah …

a.       60 ^oC                                             d. 20 ^oC

b.      50 ^oC                                             e. 10 ^oC

c.       40 ^oC

7.      Permukaan benda pada suhu 37^oC meradiasikan gelombang elektromagnetik. Bila konstanta Wien = 2,898 x 10⁻³ m.K maka panjang gelombang maksimum radiasi permukaan adalah.....

a.       8,898 x 10⁻⁶ m                              d. 10,222 x 10⁻⁶ m

b.      9,348 x 10⁻⁶ m                              e. 11,212 x 10⁻⁶ m

c.       9,752 x 10⁻⁶ m

8.      Benda hitam pada suhu T memancarkan radiasi dengan daya sebesar 300 mW. Radiasi benda hitam tersebut pada suhu ½ T akan menghasilkan daya sebesar ....

a.       300 mW                                        d. 37,5 mW

b.      150 mW                                        e. 18,75 mW

c.       75 mW

9.      Dua batang logam A dan B berukuran sama masing-masing mempunyai koefisien konduksi 2k dan k. Keduanya dihubungkan menjadi satu dan pada ujung-ujung yang bebas dikenakan suhu A=210 ºC dan suhu B=30 ºC. Suhu sambungan pada logam A dan B adalah...

a.       80 ºC

b.      100 ºC

c.       120 ºC

d.      150 ºC

e.       160 ºC

10.  Logam p dan q memiliki panjang dan luas penampang yang sama disambung. Ujung-ujung yang lain diberi suhu yang berbeda, logam p=80 ºC dan logam q=40 ºC. Konduktivitas termal p = 4 kali logam q, suhu tepat pada sambungan adalah...

a.  48 ºC

b. 72 ºC

c.  90 ºC

d. 120 ºC

e.  180 ºC

B.     Lembar Kerja Siswa (LKS)

1.      Tujuan

-          Mendeskripsikan cara Perpindahan kalor.

2.      Landasan Teori

Kalor berpindah dari benda atau suatu sistem bersuhu tinggi ke benda /sistem bersuhu rendah.

Ada 3 cara untuk kalor berpindah dari suatu benda ke benda lain, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Ø  Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel karena adanya selisih suhu.

Ø  Konveksi adalah proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri.

Ø  Radiasi atau pancaran adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnet.

3.      Alat dan Bahan

Ø  Besi

Ø  Aluminium

Ø  Kayu

Ø  Lilin

4.      Langkah Percobaan :

Ø  Letakkan sebuah batang logam ( besi/aluminium ) diletakkan di atas lilin yang menyala.

 

Ø  Sentuhlah ujung batang tersebut yang tidak terkena panas dari lilin tersebut.

Ø  Apakah yang Anda rasakan ?

Ø  Lakukan kembali percobaan dengan menggunakan kayu. Tuliskan pengamatanmu pada tabel.

5.      Pertanyaan awal

1.      Apa yang disebut dengan konduksi?

6.      Pertanyaan akhir

1.      Bagaimana cara perpindahan secara konduksi?

BAB IV

PENUTUP DAN SARAN

Perkembangan konsep mengenai kalor berubah dari dulu hingga sekarang. Dengan mengamati proses perpindahan kalor akan semakin jelas perbedaan konsep yang dulu dengan sekarang. Karena ilmu pengetahuan selalu berkembang dari waktu-kewaktu. Semoga dengan membaca makalah ini penyusun berharap dapat memberikan gambaran tentang konsep kalor ini.