Kalor

Pengertian Kalor

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit.

Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor

  1. massa zat
  2. jenis zat (kalor jenis)
  3. perubahan suhu

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Q = m.c.(t2 – t1)

Dimana :

Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)

m adalah massa benda (kg)

c adalah kalor jenis (J/kgC)

(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis

  • Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
  • Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.

H = Q/(t2-t1)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

c = Q/m.(t2-t1)

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

H = m.c

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Grafik Perubahan Wujud Es

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

Untuk mencoba kemampuan silakan kkerjakan latihan soal dengan cara klik disini.

Hubungan antara kalor dengan energi listrik

Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik. Dalam pembahasan ini hanya akan diulas tentang hubungan energi listrik dengan energi kalor. Alat yang digunakan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah ketel listrik, pemanas listrik, dll.

Besarnya energi listrik yang diubah atau diserap sama dengan besar kalor yang dihasilkan. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan.

W = Q

Untuk menghitung energi listrik digunakan persamaan sebagai berikut :

W = P.t

Keterangan :

W adalah energi listrik (J)

P adalah daya listrik (W)

t adalah waktu yang diperlukan (s)

Bila rumus kalor yang digunakan adalah Q = m.c.(t2 – t1) maka diperoleh persamaan ;

P.t = m.c.(t2 – t1)

Yang perlu diperhatikan adalah rumus Q disini dapat berubah-ubah sesuai dengan soal.

Asas Black

Menurut asas Black apabila ada dua benda yang suhunya berbeda kemudian disatukan atau dicampur maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran ini akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal (suhu kedua benda sama). Secara matematis dapat dirumuskan :

Q lepas = Q terima

Yang melepas kalor adalah benda yang suhunya tinggi dan yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu rendah. Bila persamaan tersebut dijabarkan maka akan diperoleh :

Q lepas = Q terima

m1.c1.(t1 – ta) = m2.c2.(ta-t2)

Catatan yang harus selalu diingat jika menggunakan asasa Black adalah pada benda yang bersuhu tinggi digunakan (t1 – ta) dan untuk benda yang bersuhu rendah digunakan (ta-t2). Dan rumus kalor yang digunakan tidak selalu yang ada diatas bergantung pada soal yang dikerjakan.

Kalorimeter I
Kalorimeter berarti “mengukur panas”. Ketika aliran panas terjadi antara dua benda yang terisolasi dari lingkungannya, jumlah panas yang hilang dari satu benda harus setara dengan jumlah benda lainnya.
Panas adalah yang berpindah, jadi prinsipnya adalah prinsip kekekalan energi.Kuantitas panas yang ditambahkan pada suatu benda sebagai positif dan pada kuantitas yang meninggalkan benda sebagai negative.Ketika sejumlah benda berinteraksi, jumlah aljabar dari setiap kuantitas panas yang dipindahkan pada semua benda harus sama dengan nol.Ini adalah Azas Black yang dasarnya adalah kekekalan energi.
Kalor selalu berkaitan dengan dua hal yaitu proses pemanasan atau proses pendinginan yang melibatkan perubahan suhu dan proses perubahan wujud zat yang terjadi pada suhu yang tetap.
Proses pemanasan dan pendinginan digunakan persamaan :

Q = m . c . ∆T

Dimana : Q = kalor yang dilepaskan atau diterima ( Joule )
m = massa bahan ( kg )
c = kapasitas panas spesifik bahan ( J/kgoC )
∆T = perubahan suhu ( oC )

Proses perubahan wujud zat, digunakan persamaan :

Q = m . Lv

Dengan : Q = kalor yang dilepaskan atau diterima ( Joule )
m = massa bahan ( kg )
Lv = kalor laten peleburan/pembekuan ( J/kg)

Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk menentukan kapasitas kalor suatu benda kapasitas kalor spesifik suatu bahan.
Di dalam kalorimeter terdapat pengaduk yang terbuat dari bahan yang sama dengan bejana kalorimeter ( P ). Tutup kalorimeter ( T ) terbuat dari bahan isolator yang berlubang di tengah untuk memasang termometer.
Pada teknik yang dikenal dengan teknik pencampuran, satu sampel zat dipanaskan sampai temperature tinggi yang diukur dengan akurat dan dengan cepat ditempatkan pada air dingin dalam kalorimeter.
Kalor yang hilang dari sampel tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter (bejana dan pengaduk ). Thermometer digunakan untuk mengukur temperature awal air dan calorimeter serta temperature akhir campuran.
Temperatur awal bejana, pengaduk, dan air diukur setelah seluruh bagian calorimeter dan air tersebut berada dalam keseimbangan termal yang berarti memiliki suhu yang sama.
Setelah dicamapur, suhu akhir diukur setelah dicapai keseimbangan termal antara air, sample bejana calorimeter, dan pengaduk.

Kalorimeter II

Telah dibuktikan oleh banyak ilmuwan dan eksperimen bahwa ketika 1 kalori kalor dikonversikan ke kerja mekanik atau kerja listrik maka 4,186 Joule kerja akan dihasilkan.
1 cal = 4,18 J
Elemen panas dalam sebuah calorimeter yang dihubungkan dengan sumber daya untuk tenggang waktu tertentu selama itu kerja listrik meningkatkan suhu zat cair
Untuk menghitung energi yang diberikan pada calorimeter, persamaan daya digunakan :
P = W / t atau W = P . t
Sedangkan daya listrik dinyatakan P = V . I, maka persamaan di atas yang memberikan konsumsi energi listrik menjadi ( persamaan 1 ) :
W = V . I . t
Di sisi lain, dengan mengukur tegangan yang diberikan V, arus efektif I dan waktu t, energi listrik yang diberikan pada calorimeter dapat dihitung dengan persamaan di atas. Dengan mengukur suhu awal dan akhir calorimeter, yaitu air, bejana aluminium dan elemen pemanas, maka energi yang dihasilkan dapat dihitung. Tentu saja kapasitas kalor spesifik air, aluminium serta elemen pemanas harus ditentukan dari literature fisika.
Panas yang diserap calorimeter :

Q total = Q air + Q bejana + Q pengaduk + Q elemen

Sebagai catatan elemen pemanas sendiri memiliki massa yang kecil dan massa tersebut dapat ditambahkan pada massa kaki logam elemen tersebut. Asumsikan elemen dan kaki logamnya memiliki jenis yang sama ( umumnya adalah brass ).
Q total = Q air + Q bejana + Q pengaduk + Q elemen

Qtotal = mair.cair.∆T + mAl.cAl.∆T + maduk.caduk.∆T + melemen.celemen. ∆T

Atau : ( persamaan 2 )

Qtotal = (mair.cair + mAl.cAl + mAduk.cAduk + melemen.celemen ) ∆T
Persamaan ini menghitung total panas yang dihasilkan dari kalor sebagai hasil kerja dari listrik dalam elemen pemanas dalam Joule. Kedua nilai dapat dihitung untuk menentukan berapa joule dapat dihasilkan darisuatu kalori atau sebaliknya.
JENIS-JENIS KALORIMETER

Beberapa jenis kalorimeter :

1) Kalorimeter Bom

  • Merupakan kalorimeter yang khusus digunakan untuk menentukan kalor dari reaksi-reaksi pembakaran.
  • Kalorimeter ini terdiri dari sebuah bom ( tempat berlangsungnya reaksi pembakaran, terbuat dari bahan stainless steel dan diisi dengan gas oksigen pada tekanan tinggi ) dan sejumlah air yang dibatasi dengan wadah yang kedap panas.
  • Reaksi pembakaran yang terjadi di dalam bom, akan menghasilkan kalor dan diserap oleh air dan bom.
  • Oleh karena tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan, maka :

qreaksi = – (qair + qbom )

  • Jumlah kalor yang diserap oleh air dapat dihitung dengan rumus :

qair = m x c x DT

dengan :

m = massa air dalam kalorimeter ( g )

c = kalor jenis air dalam kalorimeter (J / g.oC ) atau ( J / g. K )

DT = perubahan suhu ( oC atau K )

  • Jumlah kalor yang diserap oleh bom dapat dihitung dengan rumus :

qbom = Cbom x DT

dengan :

Cbom = kapasitas kalor bom ( J / oC ) atau ( J / K )

DT = perubahan suhu ( oC atau K )

  • Reaksi yang berlangsung pada kalorimeter bom berlangsung pada volume tetap ( DV = nol ). Oleh karena itu, perubahan kalor yang terjadi di dalam sistem = perubahan energi dalamnya.

DE = q + w dimana   w = - P. DV ( jika DV = nol maka w = nol )

maka

DE = qv

Contoh soal :

Suatu kalorimeter bom berisi 250 mL air yang suhunya 25oC, kemudian dibakar 200 mg gas metana. Suhu tertinggi yang dicapai air dalam kalorimeter = 35oC. Jika kapasitas kalor kalorimeter = 75 J / oC dan kalor jenis air = 4,2 J / g.oC, berapakah DHc gas metana?

Jawaban :

qair = m x c x DT

= ( 250 ) x ( 4,2 ) x ( 35 – 25 )

= 10.500 J

qbom = Cbom x DT

= ( 75 ) x (  35 – 25 )

= 750 J

qreaksi = – (qair + qbom )

qreaksi = - ( 10.500 J + 750 J )

= - 11.250 J = – 11,25 kJ

200 mg CH4 = 0,2 g CH4 = ( 0,2 / 16 ) mol = 0,0125 mol

DHc CH4 = ( – 11,25 kJ / 0,0125 mol ) = - 900 kJ / mol ( reaksi eksoterm )

2) Kalorimeter Sederhana

  • Pengukuran kalor reaksi; selain kalor reaksi pembakaran dapat dilakukan dengan menggunakan kalorimeter pada tekanan tetap yaitu dengan kalorimeter sederhana yang dibuat dari gelas stirofoam.
  • Kalorimeter ini biasanya dipakai untuk mengukur kalor reaksi yang reaksinya berlangsung dalam fase larutan ( misalnya reaksi netralisasi asam – basa / netralisasi, pelarutan dan pengendapan ).
  • Pada kalorimeter ini, kalor reaksi = jumlah kalor yang diserap / dilepaskan larutan sedangkan kalor yang diserap oleh gelas dan lingkungan; diabaikan.

qreaksi = – (qlarutan + qkalorimeter )

qkalorimeter = Ckalorimeter x DT

dengan :

Ckalorimeter = kapasitas kalor kalorimeter ( J / oC ) atau ( J / K )

DT = perubahan suhu ( oC atau K )

  • Jika harga kapasitas kalor kalorimeter sangat kecil; maka dapat diabaikan sehingga perubahan kalor dapat dianggap hanya berakibat pada kenaikan suhu larutan dalam kalorimeter.

qreaksi = – qlarutan

qlarutan = m x c x DT

dengan :

m = massa larutan dalam kalorimeter ( g )

c = kalor jenis larutan dalam kalorimeter (J / g.oC ) atau ( J / g. K )

DT = perubahan suhu ( oC atau K )

  • Pada kalorimeter ini, reaksi berlangsung pada tekanan tetap (DP = nol ) sehingga perubahan kalor yang terjadi dalam sistem = perubahan entalpinya.

DH  = qp

Contoh soal :

Sebanyak 50 mL ( = 50 gram ) larutan HCl 1 M bersuhu 27 oC dicampur dengan 50 mL ( = 50 gram ) larutan NaOH 1 M bersuhu 27 oC dalam suatu kalorimeter gelas stirofoam. Suhu campuran naik sampai 33,5 oC. Jika kalor jenis larutan = kalor jenis air = 4,18 J / g.K. Tentukan perubahan entalpinya!

Jawaban :

qlarutan = m x c x DT

= ( 100 ) x ( 4,18 ) x ( 33,5 – 27 )

= 2.717 J

Karena kalor kalorimeter diabaikan maka :

qreaksi = – qlarutan

= - 2.717 J

Jumlah mol ( n ) HCl       = 0,05 L x 1 mol / L = 0,05 mol

Jumlah mol ( n ) NaOH   = 0,05 L x 1 mol / L = 0,05 mol

Oleh karena perbandingan jumlah mol pereaksi = perbandingan koefisien reaksinya maka campuran tersebut adalah ekivalen.

DH harus disesuaikan dengan stoikiometri reaksinya, sehingga :

q (1 mol HCl + 1 mol NaOH ) = ( 1 / 0,05 ) x ( – 2.717 J )

= – 54.340 J = – 54,34 kJ

Jadi DH reaksi = qreaksi = – 54,34 kJ