Parameter Pengoperasian Boiler Yang Diukur & Dikendalikan
Soadara/sodari YTH.... setiap mengunjungi Blog ini Jangan Lupa ya nge-Klik Iklan nya.....
Terima kasih :)
Pada fire tube boiler dan kebanyakan water tube boiler terutama unit yang dirakit di pabrik dengan pengapian fuel oil atau fuel gas yang hanya dioperasikan dengan forced draught fan, tekanan furnace selalu positif, sekitar 10 mbar, bergantung pada tekanan balik, positif atau negatif , sistem buangan dan perlengkapan heat recovery yang ditambahkan. Tekanan boiler heater yang diijinkan bergantung pada. kondisi input bahan bakar dan udara. Oleh karena itu pengendali tekanan boiler heater jarang dibutuhkan. Kondisi demikian dikenal sebagai pengoperasian boiler yang dinaikkan tekanannya. Boiler yang mempunyai prinsip balanced draft beroperasi pada tekanan boiler heater sedikit negatif. Tekanannya selalu dijaga kira-kira 1 mbar subatmosfir (di bawah tekanan atmosfir). Untuk itu ditambahkan suatu induced draft fan selain forced draft fan untuk menciptakan tekanan negatif yang diperlukan. Tekanan boiler heater yang terlalu negatif akan menyebabkan udara yang masuk boiler tidak dapat dikendalikan.
Kondisi tekanan dalam boiler heater ini dimonitor dan sinyal tekanan yang dihasilkan diteruskan ke pengendali tekanan boiler heater. Nilai yang dikirim ini disebut sebagai nilai yang terukur (measured value). Pada pengendali nilai ini dibandingkan dengan set point. Perbedaan yang timbul disebut sebagai error yang kemudian sinyalnya diteruskan ke elemen pengendali akhir yang mengatur pergerakan aktuator dalam bentuk pembukaan atau penutupan damper kipas (fan). Pada sistem kendali ini dapat ditambahkan alarm pada sistem monitoringnya yang diset pada level tertentu Pengendali pada sistem pengendalian seperti tersebut di atas terdiri dari suatu diafragma yang beraksi melawan suatu pegas dengan tekanan atmosferik pada satu sisi dan tekanan furnace pada sisi yang lain. Pergerakan diafragma ini menyebabkan servomotor beroperasi menggerakan damper induced draft untuk menutup atau membuka sehingga mempertahankan tekanan furnace relatif konstan.
Combustion Control
Sistem perigendalian pembakaran menghubungkan antara pengendalian input panas ke boiler dengan rasio udara/bahan bakar yang masuk ruang pembakaran. Sistem pengendalian ini harus dapat menjamin jumlah udara yang tersedia mencukupi untuk pembakaran sejumlah bahan bakar secara efisien tanpa menimbulkan smoke dan dengan minimum discharge particulate dari cerobong. Pada steam boiler (steam generator), sumber utarna sinyal operasi sistem pengendalian pembakaran adalah tekanan steam keluar boiler sedangkan pada hot water boiler sumber utama sinyal operasinya adalah temperatur air keluar. Dengan demikian pengendalian pembakaran juga mengendalikan tekanan boiler pada suatu tahap dalam pengendalian input panas.
2.2.1. Skema Pengendalian
Ada tiga skema dasar sistem pengendalian yang digunakan untuk pengaturan berbagai macam variabel pembakaran (bahan bakar dan aliran udara) dalam suatu sistem pengendalian pembakaran. Skema tersebut adalah : seri, paralel dan seri/paralel
Facia skema pengendalian secara seri, dengan berubahnya sinyal dari pengendali induk akan menyebabkan perubahan aliran udara pembakaran da.1 kemudian menyebabkan perubahan aliran bahan bakar . Pada sistem pengendalian yang dilakukan secara paralel , perubahan sinyal pengendali induk akan mengatur aliran udara dan bahan bakar secara simultan. Sedangkan skema pengendalian secara seri/paralel , suatu perubahan sinyal pengendali induk akan mengatur aliran bahan bakar dan pads sisi lain karena perubahan aliran steam berbanding langsung dengan perubahan aliran udara maka perubahan aliran steam yang menghasilkan perubahan beban digunakan untuk mengatur aliran udara
2.2.2. Tipe Sistem Pengendalian Ada tiga tipe dasat. sistem pengendalian pembakaran otomatis, yakni: on/off , positioning dan metering a. Sistem On/Off
Pada steam boiler yang menggunakan sistem on/off, aliran bahan bakar dan udara akan ditutup apabila tekanan steam naik sampai nilai set pointnya. Kemudian tekanan steam akan menurun secara perlahan-lahan sampai mencapai nilai tertentu dimana aliran bahan bakar dan udara dijalankan kembali. Pada hot water boiler, temperatur air tinggi dan rendah digunakan sebagai sinyal inisiasi. Metoda pengendaIian ini menghasilkan fluktuasi tekanan steam yang relatif besar sehingga penggunaannya terbatas pada unit penghasil air panas atau steam jenuh yang kapasitasnya relatif kecil. Sistem pen.gendalian ini tidak cocok digunakan pada unit yang lebib besar terutama yang menghasilkan steam lewat jenuh karena selama perioda off tidak ada gas yang melewati superheater (pada superheater steam menerima panas lewat jenuhnya dari gas tersebut).
b. Positioning System
Pada positioning system, pengendalian bahan bakar dan udara pembakaran (kerangan bahan bakar untuk pengaturan pengapian gas atau minyak dan damper atau kecepatan kipas/fan untuk pengaturan udara pembakaran) diinterkoneksi secara mekanikal sedemikian rupa sehingga untuk suatu posisi tertentu kerangan bahan bakar, damper udara akan selalu berada dalam posisi yang sama. Sistem demikian disebut open-loop dan mengasumsikan bahwa aliran yang melalui kerangan atau damper akan selalu sama pada posisi kerangan atau damper tertentu. Jaringan interkoneksi tersebut biasanya menghubungkan beberapa bentuk cam, dimana bentuknya ditentukan selama commisioning dengan pengaturan pengendali bahan bakar dan udara secara manual untuk memberikan kondisi yang optimum dalam rentang beban boiler.
Metoda pengendalian ini dipengaruhi oleh perubahan ketahanan sistem pada sisi bahan bakar dan udara yang clisebabkan oleh kawat dan fouling. pada sistem bahan bakar dan fouling pada sisi udara/gas. Untuk ini dibutuhkan pemeliharaan yang teratur. Penggunaan metoda ini terbatas pada firetube boiler dan watertube boiler yang berkapasitas kecil yang menggunakan bahan bakar yang konsisten.
c. Sistem Metering/Modulasi
Dengan sistem metering, bahan bakar dan udara diatur oleh sinyal induk dari tekanan steam. Suatu penurunm tekanan menunjukkan bahwa kebutuhan input bahan bakar dan udara meningkat.. Aliran bahan bakar dan udara diukur, dua sinyal dibandingkan dalam suatu ratio controler (feedback) dan salah satu di antaranya diatur dengan pengoperasian pengendali laju alir sampai rasio atau sel point yang tepat tercapai. Sistem yang demikian disebut closed loop. Ratio controller disusun sedemikian rupa sehingga set point dapat dengan mudah diatur secara manual sementara boiler dalam keadaan beroperasi dengan karakteristik bahan bakar yang berubah-ubah. Sistem metering membutuhkan suatu alat untuk mengukur laju alir dalam sistem bahan bakar dan udara yang bergantung pada keakuratan yang dibutuhkan. Keakuratannya bervariasi dari yang menggunakan hilang tekan yang melintasi bagian dari, sistem aliran sampai kepada penginstalasian pelat-pelat orifice dan venturi. Dua yang terakhir mempunyai persyaratan minimum panjang upstream dan downstream dan konfigurasi untuk memberikan pembacaan yang dapat berulang- ulang yang akurat. Penggunaan alat flow metering khusus ini akan meningkatkan ketahanan sistem sehingga konsumsi tenaga untuk transmisi sinyal-sinyal juga meningkat. Jika temperatur minyak dikendalikan secara ketat, hilang tekan yang melintasi suatu oil tip burner dapat digunakan untuk mengukur laju alir minyak dan yang melintasi permukaan pemanas boiler atau burner air register untuk memberikan suatu pengukuran laju alir udara. Akan tetapi sistem ini harus dibatasi terhadap instalasi burner tunggal karena aliran bahan bakar total bergantung pada jumlah burner yang digunakan. Selain itu semakin kompleks suatu sistem .pengendalian akan meningkatkan resiko kegagalan.
d. Pemilihan Sistem
Pemitihan sistem bergantung pada keakuratan yang dibutuhkan dalam pengendalian boiler. Lebih jelasnya, pemilihan bergantung pada keakuratan yang diinginkan untuk mengoperasikan boiler pada kondisi yang optimum pada semua waktu. Selain faktor keakuratan, biaya juga menjadi faktor pertimbangan. Sistem on/off paling murah, nan1un sistem ini kurang akurat dibandingkan yang lain sedangkan yang paling mahal adalah sistem metering. Sistem metering paling akurat di antara sistem yang lain
Untuk fine tuning pengendalian pembakaran, penyampelan flue gas untuk mengetahui kadar oksigen dan/atau produk-produk pembakaran yang lain dihubungkan dan sinyalnya dikirim kembali kesistem pengendalian. Sinyal utama untuk pengendalian oksigen diperoleh dari suatu probe zirconium oksida yang diselipkan dalam suatu aliran gas bakar (flue gas). Ketahanan listrik dari probe bergantung pada tekanan uap dengan kadar oksigen yang ada. Ada suatu kecenderungan, pada beban yang rendah udara/oksigen lebih (excess air) meningkat untuk menjamin bahwa pen,campuran bahan bakar dan udara yang tepat dicapai dengan kecepatan udara dan bahan bakar yang lebih rendah. Oleh karena itu, harus dilakukan koreksi terhadap sinyal oksigen. Untuk itu maka suatu sinyal sekunder diambil dari transmitter aliran steam untuk menunjukkan ouput boiler aktual. Untuk plant yang lebih besar, pengukuran oksigen dapat dilengkapi dengan pengukuran karbonmonoksida dan hidrokarbon. Pengendalian demikian tidak hanya memaksimalkan efisiensi tetapi juga mengurangi emisi cerobong.Apapun metoda pengendalian yang digunakan, paling sedikit yang hams ada adalah pengukuran kadar oksigen atau karbondioksida dalam gas .dan hasilnya didisplay untuk diinfonnasikan kepada operator tentang kondisi pembakaran. Pada pengapian fuel gas dan fuel oil, respon kerangan pengendali bahan bakar biasanya lebih cepat daripada pengendali aliran udara. Jika kebutuhan steam meningkat, input bahan bakar akan meningkat lebih cepat daripada input udara. Hal ini menyebabkan dihasilkan dan diemisikannya smoke berwama hitam, terutama jika operasi dilakukan pada udara lebih yang rendah. Untuk mencegah kejadian ini, ditambahkan lead-lag, cross limiting atati air lead yang mencegah aliran minyak meningkat lebih cepat daripada aliran udara selama peningkatan. beban boiler. Selain itu item tambahan ini mencegah aliran udaramenurun lebih cepat daripada aliran minyak pada penurunan beban boiler. Gambar 2.3. mengilustrasikan suatu. diagram pengendali pembakaran yang terintegrasi yang menghubungkan pengendalian kadar oksigen dengan item tambahan ini
e. Pengukuran dan Pengendalian Aliran Udara
Pembacaan tekanan diferensial atau hilang tekan hasil dari aliran fluida yang melewati suatu plat orifice atau hambatan yang lain, merupakan fungsi kuadrat kecepatan fluida. Oleh karena itu sebelum sinyal-sinyal ini ditambahkan terlebih dahulu dilinierisasikan. Hal ini dilakukan dengan menggunakan suatu squareroot extractor. Proses ini terutama penting apabila dua jenis atau lebih bahan bakar dinyalakan secara simultan dan aliran udara total yang dibutuhkan harus dihitung oleh sistem kendali.
Dengan penyalaan bahan bakar kombinasi, kedua bahan bakar dapat dimodulasikan bersama, tetapi lebih sering salah satu bahan bakar ditetapkan sebagai waste atau by product dan yang lain sebagai yang dibakar pada suatu laju yang tetap atau yang tersedia. Penyalaan kombinasi suatu waste gas dan fuel oil merupakan suatu contoh dimana pengendali aliran gas dapat dioperasikan dari tekanan gas upstream. Suatu penurunan tekanan gas menunjukkan bahwa bahwa bahan bakar mencukupi untuk bukaan kerangan tertentu dan oleh harus dikurangi untuk menjaga tekanan pada dimodulasikan oleh sinyal tekanan steam panas dan beban boiler.
Ketinggian Permukaan Air (Level Feedwater Control) Ada tiga bentuk dasar pengendalian ketinggian permukaan air yang dapat digunakan, yakni : a. sistem elemen tunggal (single element feedwater control) b. sistem elemen dua (two element feedwater control) c. sistem elemen tiga (three element feedwater control)
Pada sistem pengendalian elemen tunggal, respon hasil pengaturan posisi kerangan umpan air hanya bertujuan untuk merubah ketinggian permukaan air boiler. Ketika beban boiler meningkat, terjadi penurunan tekanan dan peningkatan laju pengapian, kedua-duanya menyebabkan kenaikan ketinggian permukaan air dalam boiler yang disebabkan oleh meningkatnya volum steam dalam air.
Dengan . sistem ini aksi pengendaliannya adalah berupa penutupankerangan umpan air sehingga aliran air ke boiler mengecil. Tinggi permukaan air tersebut memerlukan beberapa waktu untuk turun sampai pos~si yang diinginkan dan akan terus menu run di bawah ketinggian yang dibutuhkan sebelum tindakan perbaikan dilakukan. Sebaliknya terjadi pada pengurangan beban boiler. Sistem ini cukup memuaskan pada firetube boiler dengan kapasitas air yang besar dan dengan suatu beban steady yang dapat diterima. Jika fluktuasi terjadi dan kapasitas air kecil maka sistem ini tidak cocok digunakan karena mengakibatkan tinggi permukaan air tidak stabil.
Persoalan ini diatasi dengan menggunakan suatu sistem elemen dua yang menghubungkan suatu sinyal dari aliran steam pada outlet boiler dan menggunakannya sebagai sinyal utama untuk modulasi kerangan. Dengan meningkatnya aliran steam, kerangan umpan air akan membuka sehingga aliran air meningkat secara proporsional. Sinyal tinggi permukaan air dalam drum mengatur posisi kerangan untuk mencapai tinggi permukaan air yang diinginkan. Respon suatu elemen dua lebih cepat dibandingkan sistem elemen tunggal karena perubahan aliran steam langsung dideteksi segera dan kemudian memberikan suatu response perbaikan terhadap laju perubahan beban yang dapat diterima.
Untuk boiler yang mengalami perubahan beban yang relatif cepatdan untuk boiler industri yang lebih besar, digunakan sistem kendali tiga elemen. Tambal1annya adalah sinyal dari aliran umpan air. Sistem ini sangat berguna pada keadaan dimana pompa umpan air digunakan untuk sejumlah boiler. Keadaan ini menghasilkan suatu variabel induk umpan berupa tekanan umpan air dari pompa. Aliran umpan air memberikan suatu sinyal yang dibandingkan dengan sinyal aliran steam. Hasilnya berupa kompensasi untuk merubah karakterisitik sistem yang terjadi akibat berubahnya tekanan umpan air dengan aliran total yang mengikuti karakterisitik pompa air umpan.
Perbedaan biaya antara berbagai macam sistem tersebut dipengaruhi oleh pertimbangan apakah pengukuran aliran steam dan umpan air termasuk ke dalam instrumen yang dibutuhkan. Jika ya, sinyal yang sama dapat digunakan untuk pengendalian umpan air dan penunjukkan/pencatatan laju alir
Temperatur 2.4.1. Pengukuran Temperatur Gas Keluaran
Pengukuran temperatur gas keluaran dalam suatu unit boiler bersama dengan pengukuran oksigen, adalah suatu faktor penting dalarn perhitungan hilang panas gas bakar. Kenaikan temperatur gas keluaran secara perlahan-lahan pada beban tertentu menunjukkan telah terjadi fouling pada boiler, suatu peningkatan sebesar 17°C kira-kira setara dengan kehilangan panas sebesar satu persen. Termokopel yang digunakan untuk pengukuran temperatur ini ditempatkan di tengah-tengah aliran gas dan sedekat mungkin dengan keluaran boiler atau peralatan heat recovery. Dalam instrun:ten modern selain digunakan mode digital juga dilengkapi dengan suatu recorder yang akan memperlihatkan kecenderungannya terhadap waktu sehingga memudahkan pengambilan keputusan kapan suatu boiler harus distop untuk dibersihkan.
Dalam firetube boiler suatu termokopel ditempatkan dalam reverseal chamber well di atas keluaran furnace .yang berguna pada semua bentuk pengapian bahan bakar, terutama bahan bakar batu bara. Bila temperatur melebihi 900°C dapat mempercepat pembentukan deposit pada inlet tube. Input ke boiler harus dikurangi jika terjadi kenaikan ternperatur yang berlebihan dan ini salah satu patokan kapan suatu boiler harus dibersihkan.
Pada boiler yang mempunyai superheater termokopel diperlukan untuk mengukur- temperatur steam pada outlet superheater. Jika temperatur steam cenderung turun pada beban tertentu menunjukkan telah terjadi fouling pada superheater sehingga harus dibersihkan pula. Pada hot water boiler pengukuran temperatur diperlukan pada titik kembali air ke boiler. Temperatur kembali dibatasi tidak melebihi 130oC untuk menghindari bahaya korosi jika fuel oil dinyalakan.
2.4.2. Pengendalian Temperatur Steam
Kebutuhan untuk menjaga temperatur steam konstan pada outlet superheater dikendalikan oleh kebutuhan pengguna steam. Boiler sangat jarang memberikan suatu temperatur konstan pada rentang operasi nornlalnya. Oleh karena itu untuk mcmpetahankan temperatur steam konstan dalam selang beban tertentu diperlukan perlengkapan pengendali temperatur steam
Kualitas Air Boiler
Menjaga kualitas air boiler dalam batas yang direkomendasikan adalah hal sangat penting. Hal ini dilakukan dengan cara pengambilan sampel dan pengetesan secara teratur. Parameter yang biasanya diukur adalah konduktivitas dan pH.
Pengukuran konduktivitas air relatif sederhana dan handal dengan menggunakan eletroda-eletroda dimana air berlaku sebagai salah satu tangan dalam ral1gkaian jembatan Wheatstone. Konduktivitas air menunjukkan kandungan padatan yang terlarut dalam air tersebut. Batasan maksimal konduktivitas air yang diijinkan tergantung pada jenis dan tekanan boiler.Parameter lain yang diukur adalah pH. Pengukuran pH memberikan penunjukkan alkalinitas. Normalnya pH dijaga sekitar 9. Nilai pH yang tinggi dapat menyebabkan priming sedangkan pH yang rendah menyebabkan korosi pada boiler dan peralatannya
TARA KALOR LISTRIK
TARA KALOR LISTRIKTara kalor listrik adalah perbandingan antara energi listrik yang diberikan terhadap panas yang di hasilkan
J = W/H [Joule/kalori]
teori yang melandasi tentang tara kalor listrik:
hukum joule dan azas black
Suatu bentuk energi dapat berubah menjadi bentuk energi yang lain. Misalnya pada peristiwa gesekan energi mekanik berubah menjadi panas. Pada mesin uap panas diubah menjadi energi mekanik. Demikian pula energi listrik dapat diubah menjadi panas atau sebaliknya. Sehingga dikenal adanya kesetaraan antara panas dengan energi mekanik/listrik, secara kuantitatif hal ini dinyatakan dengan angka kesetaraan panas-energi listrik/mekanik. Kesetaraan panas-energi
mekanik pertama kali diukur oleh Joule dengan mengambil energi mekanik benda jatuh untuk
mengaduk air dalam kalorimeter sehingga air menjadi panas. Energi listrik dapat diubah menjadi
panas dengan cara mengalirkan arus listrik pada suatu kawat tahanan yang tercelup dalam air
yang berada dalam kalorimeter. Energi listrik yang hilang dalam kawat tahanan besarnya adalah:
W = V.i.t [joule]
dimana :
V = beda potensial antara kedua ujung kawat tahanan [volt]
i = kuat arus listrik [ampere]
t = lamanya mengalirkan arus listrik [detik]
Energi listrik sebesar V.i.t joule ini merupakan energi mekanik yang hilang dari elektron-elektron
yang bergerak dari ujung kawat berpotensial rendah ke ujung yang berpotensial tinggi.
Energi ini berubah menjadi panas. Jika tak ada panas yang keluar dari kalorimeter maka panas yang timbul besarnya:
H = (M + Na).(ta – tm) [kalori]
dimana: M = m air.c air
Na = Nilai air kalorimeter (kal/g oC)
ta = suhu akhir air
tm = suhu mula-mula air
Banyak panas yang dihasilkan dari kalorimeter dapat dikompensasi dengan memulai percobaan pada suhu di bawah suhu kamar, dan mengakhirinya pada suhu di atas suhu kamar.
Energi kalor : (energi panas)
● dirumuskan : Q = m.c.∆t
● dimana :
Q = energi kalor (kal) ;
m = massa (kg) ; c = kalor jenis (kal/gr.ºC) ;
∆t = perubahan suhu (ºC)
Energi Listrik :
● dirumuskan : W = P.t = V.I.t
● dimana :
W = energi listrik (Joule)
P = daya listrik (watt) ; V = tegangan (volt) ;
I = arus listrik (amp) ; dan t = waktu (s)
Tara kalor listrik :
● energi kalor (Q) biasanya dinyatakan dalam satuan kalori
● energi listrik (W) biasanya dinyatakan dalam satuan Joule
● maka agar W dan Q dapat menjadi “setara” (sama nilainya), maka nilai W yang masih dalam Joule, harus diubah kedalam kalori, dimana nilai energi : 1 kal = 4,186 Joule
● nilai “4,186″ dikenal dengan nama “tara kalor-mekanik”
● Pada rumusan yang saudara tuliskan : Q = a. W
=> konstanta “a” adalah faktor pengali untuk mengubah satuan W (Joule) menjadi dalam satuan kalori, agar kedua ruas mempunyai satuan yang sama.
=> Jadi : a = 1/(4,186) = 0,239 → inilah “tara kalor-listrik”
=> artinya : 1 Joule = 0,239 kal
● Jika ternyata energi kalor (Q) sudah ndalam satuan Joule, maka kita tidak perlu lagi memakai “nilai kesetaraan” tsb, jadi boleh langsung kita tulis : Q = W
(kedua ruas sudah dalam satuan Joule)
Konsep Kalor
Pernah minum es teh, es susu, es sirup dkk ? Nah, ketika membuat es teh, biasanya kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Air panas atau air hangat memiliki suhu yang lebih tinggi, sebaliknya es batu memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah bersenggolan beberapa saat, campuran es batu dan teh panas pun berubah menjadi es teh (campuran es batu dan teh hangat telah mencapai suhu yang sama). Proses yang sama terjadi ketika kita mencampur air panas dengan air dingin. Setelah bersentuhan, air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat… (Campuran air panas dan air dingin telah mencapai suhu yang sama). Btw, mengapa bisa terjadi seperti itu ? maksudnya, mengapa setelah bersentuhan benda-benda tersebut bisa mencapai suhu yang sama ? bingun, sebel, pusink… huft. he2…
Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Ketika kita memasukkan besi panas ke dalam air dingin, kalor mengalir dari besi menuju air. Kalor akan berhenti mengalir setelah besi dan air mencapai suhu yang sama. Ketika dokter atau perawat menempelkan termometer ke tubuhmu (misalnya kalau dirimu lagi demam), kalor mengalir dari tubuhmu menuju termometer. Kalor akan berhenti mengalir kalau tubuhmu dan termometer telah mencapai suhu yang sama. Kalau termometernya pakai air raksa, maka ketika tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama, air raksa tidak jalan-jalan lagi. Angka yang ditunjukkan permukaan air raksa merupakan suhu tubuhmu saat itu. Kalau termometer yang dipakai berupa termometer digital, angka pada bagian tengah termometer akan terhenti setelah tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama. Angka yang ditunjukkan termometer adalah suhu tubuhmu.
Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung menyamakan suhu benda yang bersentuhan. Jangan tanya gurumuda mengapa demikian… dari sononya memang sudah begitu. Mirip seperti kalau dirimu lihat cewek atau cowok cakep, dirimu penasaran. Lagi kangen berat sama pacar, malamnya cuma bolak balik di tempat tidur. Mengapa bisa demikian ? dari sononya sudah begitu 
mengapa laki2 harus kawin dengan perempuan ? dari sononya sudah begitu… mengapa tikus tidak pacaran dengan kucing ? dari sononya sudah begitu…
mengapa laki2 harus kawin dengan perempuan ? dari sononya sudah begitu… mengapa tikus tidak pacaran dengan kucing ? dari sononya sudah begitu…
Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakan Caloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.
Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.
Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil, maka kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.
Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).
Dirimu jangan pake bingung dengan konsep usaha dan energi ini… Mirip seperti ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok. Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi dalam tubuhmu berkurang, di mana sebagian energi dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv2. m = massa motor, v = kecepatan motor). Energi sepeda motor ini sebenarnya berasal dari energi tubuhmu. Kesimpulan : kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha/kerja pada motor, energi dari tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor. Kasus ini mirip dengan percobaan om Jimi di atas. Ketika berputar dalam air, pengaduk melakukan kerja/usaha pada air sehingga energi pengaduk dipindahkan ke air. Adanya tambahan energi dari pengaduk ini yang membuat si air kepanasan (suhu air meningkat).
Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena adanya aliran kalor dari api menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat). Amati gambar di bawah….
Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya merupakan pemindahan energi. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu). Kalor adalah energi yang berpindah. Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda2 yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.
Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 Co (Tepatnya dari 14,5 oC menjadi 15,5 oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda2 untuk suhu air yang berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 oC hanya terjadi antara suhu 14,5 oC sampai 15,5 oC. Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar).
Satuan kalor untuk sistem Bristish adalah Btu (British thermal unit = satuan termal Inggris). 1 Btu = jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pound air sebesar 1 Fo (Tepatnya dari 63 oF menjadi 64 oF) .
Kalor memiliki keterkaitan dengan energi (Dalam hal ini, kalor merupakan “energi yang berpindah”), karenanya kita perlu mengetahui hubungan antara satuan kalor dengan satuan energi. Berdasarkan percobaan yang dilakukan oleh om Jimi dan percobaan2 sejenis lainnya, diketahui bahwa usaha alias kerja sebesar 4,186 Joule setara dengan 1 kalori kalor.
1 kalori = 4,186 Joule
1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule
1 Btu = 778 ft.lb = 252 kalori = 1055 Joule
(1 kalori = 4,186 Joule dan 1 kkal = 4186 dikenal dengan julukan tara kalor mekanik)
Catatan :
Kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule. Gunakan tara kalor mekanik di atas untuk mengoprek Joule ke kal dan kkal, atau sebaliknya kal dan kkal dioprek menjadi Joule.
Contoh soal 1 :
Pada bungkusan sebuah biskuit terdapat tulisan : karbohidrat = 10 kkal. Berapakah tambahan energi yang diperoleh tubuh jika biskuit tersebut dimakan ?
Panduan Jawaban :
1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule
10 kkal = (10)(4186 Joule) = 41.860 Joule
Catatan :
Tubuh kita tidak mengubah semua karbohidrat menjadi energi. Sebagian energi pasti terbuang selama berlangsungnya proses pencernaan….. Efisiensinya sebesar 20 %. Jadi hanya 20 % yang dipakai tubuh, 80 % energi terbuang.
Contoh soal 2 :
Setelah menghabiskan banyak cemilan, seorang gadis yang sangat cantik baru sadar kalau ia telah kelebihan makan 200 Kalori (huruf K besar). Si gadis ingin mengurangi kelebihan energi yang diperolehnya dari cemilan. Karenanya ia memutuskan untuk mengangkat batu dari permukaan tanah hingga ketinggian 1 meter. Jika massa batu = 10 kg, berapa kalikah si gadis harus mengangkat batu tersebut ?
Panduan Jawaban :
1 Kalori = 1 kkal = 1000 kalori = 4186 Joule
200 kkal = (200)(4186 Joule) = 837.200 Joule
Ketika mengangkat batu, si gadis melakukan usaha alias kerja pada batu. Besarnya usaha yang dilakukan adalah :
Usaha (W) = Gaya (F) x Perpindahan (s) = Gaya berat (w) x ketinggian (h) = massa (m) x percepatan gravitasi (g) x Ketinggian (h)
Usaha (W) = (10 kg)(10 m/s2)(1 m)
Usaha (W) = 100 N.m = 100 Joule
Untuk mengangkat batu setinggi 1 meter, besarnya usaha yang dilakukan = 100 Joule. Pertanyaannya, berapa kali si gadis harus mengangkat batu…
837.200 Joule / 100 Joule = 8372.
Hahaha….. si gadis harus mengangkat batu 8372 kali sampai teler
sampai teler
Catatan :
Pertama, tidak semua makanan diubah menjadi energi. Selama proses pencernaan, pasti ada energi yang terbuang. Kedua, jika gadis tersebut mengangkat batu bermassa 10 kg hingga ketinggian 1 meter maka ia harus mengangkat batu tersebut sebanyak 8372 kali. Jika gadis tersebut tidak ingin mengangkat batu sebanyak 8372 kali, ia bisa menambah massa batu atau menambah ketinggian.
PERSAMAAN KALOR
Jika benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, dengan sendirinya kalor mengalir dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang memiliki suhu rendah. Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda mencapai suhu yang sama. Kita bisa mengatakan bahwa aliran kalor menyebabkan perubahan suhu pada benda yang bersentuhan. Berdasarkan penjelasan singkat ini, bisa disimpulkan bahwa kalor (Q) memiliki keterkaitan dengan suatu benda dan perubahan suhu (delta T) yang dialami benda tersebut. Ingat ya, setiap benda pasti mempunyai massa (m) dan jenis benda juga berbeda-beda.
Pada kesempatan ini, kita mencoba menyelidiki bagaimana hubungan antara jumlah kalor (Q) dengan besarnya perubahan suhu (delta T), massa benda dan jenis benda. Untuk membantu menurunkan hubungan ini, alangkah baiknya jika kita tinjau 2 benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Misalnya kita memanaskan air menggunakan nyala api kompor.
Catatan :
Perlu diketahui bahwa gurumuda hanya membuat penalaran saja dan contoh yang gurumuda pakai juga dekat dengan kehidupanmu, karenanya mudah2an dirimu cepat paham. Kalau bingung dengan penjelasan gurumuda, dirimu bisa melakukan percobaan (di rumah atau di sekolah).
Hubungan antara Kalor (Q) dan Perubahan suhu (delta T)
Misalnya kita ingin memanaskan segelas air. Setelah dipanaskan, suhu air pasti bertambah (air mengalami perubahan suhu). Apabila nyala api kecil, perubahan suhu yang dialami air juga kecil. Sebaliknya jika ketika memanaskan air, nyala api lebih besar, perubahan suhu yang dialami air pasti lebih besar (air lebih cepat panas)
Untuk membantu memahami persoalan ini, coba lakukan percobaan kecil2an berikut ini. Sediakan dua gelas air, termometer dan pemanas air (gunakan pemanas yang bisa dikontrol, misalnya kompor dll). Percobaan 1 : Masukan segelas air dalam sebuah wadah dan panaskan air tersebut selama 5 menit. Gunakan termometer untuk mengukur suhu akhir (suhu air setelah dipanaskan selama 5 menit). Catat suhu air tersebut… Percobaan 2 : Kalau wadahnya masih panas, dinginkan terlebih dahulu. Buang saja air yang sudah kepanasan tadi dan ganti dengan segelas air yang masih dingin. Kali ini nyala api diperbesar 2 kali… Silahkan panaskan air tersebut selama 5 menit. Setelah itu ukur suhu akhir air… Bandingkan suhu akhir air yang diperoleh pada percobaan 2 dengan percobaan 1. Manakah yang mengalami perubahan suhu yang lebih besar ? Kalau percobaan dilakukan dengan baik dan benar, dirimu pasti setuju kalau gurumuda mengatakan bahwa perubahan suhu air dalam percobaan 2 lebih besar daripada perubahan suhu air pada percobaan 1.
Nyala api dalam percobaan mewakili jumlah kalor (Q). Pada percobaan 1, nyala api kecil (Q kecil). Sebaliknya pada percobaan 2, nyala api besar (Q besar). Apabila Q kecil, perubahan suhu juga kecil. Sebaliknya jika Q besar, perubahan suhu juga besar. Semakin besar Q, semakin besar perubahan suhu benda. Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan perubahan suhu yang dialami benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :
Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m)
Sekarang mari kita tinjau hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa benda (m). Mula-mula kita memanaskan segelas air, setelah itu kita memanaskan 2 gelas air. Jika nyala api sama dan suhu air mula2 juga sama, manakah yang lebih cepat panas : segelas air atau 2 gelas air ? Jika dirimu pernah memanaskan air, dirimu akan setuju kalau gurumuda mengatakan segelas air akan lebih cepat panas daripada 2 gelas air. Dengan kata lain, untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air membutuhkan selang waktu yang lebih singkat dibandingkan dengan 2 gelas air. Jika kita ingin agar selang waktu kenaikan suhu segelas air dan 2 gelas air sama, maka ketika memanaskan 2 gelas air, nyala api harus diperbesar 2 kali.
Besarnya nyala api mewakili jumlah kalor (Q) sedangkan segelas air dan 2 gelas air mewakili massa air tersebut. Segelas air mempunyai massa (m) yang lebih kecil, sedangkan 2 gelas air mempunyai massa (m) yang lebih besar. Untuk kenaikan suhu yang sama, segelas air (m kecil) membutuhkan nyala api yang lebih kecil (Q kecil) sedangkan 2 gelas air (m besar) membutuhkan nyala api yang lebih besar (Q besar). Kita bisa mengatakan bahwa jumlah kalor (Q) sebanding dengan massa air. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan massa (m) dapat ditulis sebagai berikut :
Hubungan antara jumlah kalor (Q) dan Jenis benda (m)
Untuk membantu menurunkan hubungan antara kalor (Q) dan jenis benda, lakukan percobaan berikut ini. Siapkan sepotong besi dan sepotong kayu (usahakan panjangnya harus sama). Panaskan besi dan kayu tersebut dengan nyala lilin. Walaupun nyala lilin sama, biasanya besi akan lebih cepat panas daripada kayu (malah kayu bisa kebakar ). Pada dasarnya, jika jenis benda berbeda maka perubahan suhu yang dialami benda juga berbeda-beda. Hal ini disebabkan karena sifat setiap benda berbeda. Kita bisa mengatakan bahwa kalor (Q) sebanding dengan jenis benda. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan jenis benda dapat ditulis sebagai berikut :
). Pada dasarnya, jika jenis benda berbeda maka perubahan suhu yang dialami benda juga berbeda-beda. Hal ini disebabkan karena sifat setiap benda berbeda. Kita bisa mengatakan bahwa kalor (Q) sebanding dengan jenis benda. Secara matematis, hubungan antara jumlah kalor (Q) dan jenis benda dapat ditulis sebagai berikut :
Persamaan 1, persamaan 2 dan persamaan 3 bisa ditulis kembali sebagai berikut :
Persamaan ini menyatakan hubungan antara Kalor (Q) dengan massa benda (m), kalor jenis (c) dan perubahan suhu (delta T).
Keterangan :
KALOR JENIS (c – huruf c kecil)
Kalor jenis (c) = banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Secara matematis, kalor jenis dinyatakan melalui persamaan di bawah :
Keterangan :
c = kalor jenis
Q = kalor (J)
m = massa benda (Kg)
delta T = perubahan suhu = suhu akhir (T2) – suhu awal (T1). Satuannya K
(J = Joule, K = Kelvin)
Satuan kalor jenis benda (c)
Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :
Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K
KAPASITAS KALOR BENDA (C – huruf C besar)
Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar :
C = mc
Keterangan :
C = kapasitas kalor
m = massa benda (Kg)
c = kalor jenis (J/Kg.K)
Satuan kapasitas kalor benda (C)
Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :
Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)
Catatan :
Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).
Kedua, kkal bisa diubah menjadi Joule menggunakan tara kalor mekanik (tuh di atas).
Tabel Kalor Jenis benda (Pada tekanan 1 atm dan suhu 20 oC)
Catatan :
Kalor jenis benda biasanya bergantung pada suhu. Btw, apabila perubahan suhu tidak terlalu besar maka besar kalor jenis bisa dianggap tetap
Jenis Benda
|
Kalor Jenis (c)
| |
J/kg Co
|
kkal/kg Co
| |
Air
|
4180
|
1,00
|
Alkohol (ethyl)
|
2400
|
0,57
|
Es
|
2100
|
0,50
|
Kayu
|
1700
|
0,40
|
Aluminium
|
900
|
0,22
|
Marmer
|
860
|
0,20
|
Kaca
|
840
|
0,20
|
Besi / baja
|
450
|
0,11
|
Tembaga
|
390
|
0,093
|
Perak
|
230
|
0,056
|
Raksa
|
140
|
0,034
|
Timah hitam
|
130
|
0,031
|
Emas
|
126
|
0,030
|
Contoh soal 1 :
Berapakah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebuah kawat tembaga yang bermassa 2 kg, dari 20 oC sampai 80 oC ?
Panduan Jawaban :
Contoh soal 2 :
Berapakah kalor yang harus dilepaskan untuk menurunkan suhu lempeng besi yang bermassa 20 kg, dari 80 oC menjadi 20 oC ?
Panduan Jawaban :
Tanda negatif menunjukkan bahwa kalor tersebut dilepas
KALOR LATEN
Apabila kita memanaskan suatu benda, air misalnya, semakin lama si air bersentuhan dengan sumber panas (misalnya nyala api), suhu air semakin bertambah. Dalam hal ini air mengalami perubahan suhu akibat adanya tambahan kalor dari nyala api. Perlu diketahui bahwa adanya tambahan kalor tidak selamanya menyebabkan perubahan suhu. Hal ini biasanya terjadi selama proses perubahan wujud suatu benda. Untuk membuktikan hal ini, dirimu bisa melakukan percobaan kecil2an berikut ini…
Siapkan es batu secukupnya, termometer dan pemanas (gunakan saja pemanas listrik kalau ada). Masukan termometer ke dalam wadah yang berisi es batu dan tunggu sampai permukaan air raksa berhenti bergerak. Selanjutnya, nyalakan pemanas listrik. Karena mendapat tambahan kalor dari pemanas listrik maka es batu perlahan-lahan mencair. Seiring dengan mencairnya es batu, permukaan air raksa dalam termometer akan bergerak naik. Meskipun es batu selalu mendapat tambahan kalor, pada suatu titik tertentu, permukaan air raksa akan berhenti bergerak selama beberapa saat. Es batu memang tetap mencair, tapi suhunya tidak berubah. Biasanya hal ini terjadi pada titik es alias titik beku normal air. Pada tekanan atm, titik es berada pada 0 oC. Ingat ya, titik es berubah terhadap tekanan, karenanya termometer yang dirimu pakai belum tentu menunjuk angka 0 oC.
Setelah parkir sebentar di titik es, permukaan air raksa akan jalan-jalan lagi. Semakin banyak kalor yang diserap air, semakin panas air tersebut. Bertambahnya suhu air ditunjukkan oleh kenaikan permukaan air raksa dalam termometer. Walaupun tetap mendapat tambahan kalor, ketika suhu air mencapai titik uap alias titik didih normal air, permukaan air raksa akan berhenti jalan-jalan (suhu air tetap). Pada tekanan atm, titik uap berada pada 100 oC. Tambahan kalor yang diperoleh air dari pemanas listrik tidak membuat suhu air berubah. Tambahan kalor tersebut hanya mengubah air menjadi uap. Amati grafik di bawah….
Grafik ini menunjukkan proses perubahan suhu dan perubahan wujud air setelah pendapat tambahan kalor (pada tekanan 1 atm). Penambahan kalor dari b – c tidak menyebabkan perubahan suhu, tetapi hanya meleburkan es menjadi air. Demikian juga penambahan kalor dari d – e hanya mengubah air menjadi uap. Air hanya salah satu contoh saja. Pada dasarnya semua benda akan mengalami proses yang sama jika benda tersebut dipanaskan.
Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud padat menjadi cair disebut kalor peleburan. Kalor peleburan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari cair menjadi padat. Lambang kalor lebur = LF (F = fusion). Perlu diketahui bahwa kalor yang terlibat dalam perubahan wujud benda tidak hanya bergantung pada kalor peleburan saja, tetapi juga massa benda tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Q = m LF
Keterangan :
Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses pencairan atau pembekuan
m = massa benda
LF = Kalor peleburan
Tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 kg benda dari wujud cair ke gas dinamakan kalor penguapan. Kalor penguapan juga berkaitan dengan jumlah kalor yang dilepaskan untuk mengubah wujud benda dari gas menjadi cair. Lambang kalor penguapan = LV (v = vaporization). Secara matematis, kalor yang diperlukan atau kalor yang dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan bisa ditulis sebagai berikut :
Q = m LV
Keterangan :
Q = Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses penguapan atau pengembunan
m = massa benda
LF = Kalor penguapan
Kalor Peleburan dan Kalor Penguapan dikenal juga dengan julukan Kalor Laten. Lambang kalor Laten = L
Catatan :
Setiap benda mempunyai titik lebur dan titik didih yang berbeda-beda. Kalor peleburan dan kalor penguapan setiap benda juga berbeda2. Lihat tabel di bawah.
Benda
|
Titik lebur
|
Kalor lebur (LF)
|
Titik didih
|
Kalor penguapan (LV)
| ||||
K
|
oC
|
J/Kg
|
Kkal/Kg = Kal/g
|
K
|
oC
|
J/Kg
|
Kkal/Kg = Kal/g
| |
Helium
|
-
|
-
|
-
|
-
|
4,126
|
-268,93
|
20,9 x 103
|
5
|
Hidrogen
|
13,84
|
-259,31
|
58,6 x 103
|
14,1
|
20,26
|
-252,89
|
452 x 103
|
108,5
|
Nitrogen
|
63,18
|
-210
|
26 x 103
|
6,2
|
77,38
|
-195,8
|
200 x 103
|
48
|
Oksigen
|
54,36
|
-218,79
|
14 x 103
|
3,3
|
90,15
|
-183
|
210 x 103
|
51
|
Etanol
|
159
|
-114
|
104,2 x 103
|
239,75
|
351,15
|
78
|
850 x 103
|
204
|
Amonia
|
195,35
|
-77,8
|
33 x 103
|
8,0
|
239,75
|
-33,4
|
137 x 103
|
33
|
Raksa
|
234
|
-39
|
11,8 x 103
|
2,8
|
630
|
357
|
272 x 103
|
65,3
|
Air
|
273,15
|
0
|
334 x 103
|
79,5
|
373,15
|
100
|
2256 x 103
|
539
|
Sulfur
|
392
|
119
|
38,1 x 103
|
9,1
|
717,75
|
444,60
|
326 x 103
|
78,2
|
Timbal
|
600,5
|
327,3
|
24,5 x 103
|
5,9
|
2023
|
1750
|
871 x 103
|
209
|
Perak
|
1233,95
|
960,80
|
88,3 x 103
|
21,2
|
2466
|
2193
|
2336 x 103
|
560,6
|
Besi
|
2081,15
|
1808
|
289 x 103
|
69,1
|
3296,15
|
3023
|
6340 x 103
|
1520
|
Tembaga
|
1356
|
1083
|
134 x 103
|
32,2
|
1460
|
1187
|
5069 x 103
|
1216,6
|
Emas
|
1336,15
|
1063,00
|
64,5 x 103
|
15,5
|
2933
|
2660
|
1578 x 103
|
378,7
|
Contoh soal 1 :
Berapakah tambahan kalor yang diperlukan untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air ?
Panduan Jawaban :
Q = mLF —- LF air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)
Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)
Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 103 kalori (huruf k kecil)
1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule
397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)
Untuk mengubah 5 kg es batu menjadi air, diperlukan tambahan kalor sebesar 397 kkal atau tambahan energi sebesar 1,66 Joule
Contoh soal 2 :
Berapakah jumlah kalor yang harus dilepaskan untuk mengubah 5 kg air menjadi es ?
Panduan Jawaban :
Q = mLF —- LF air = 79,5 kkal/kg (lihat tabel)
Q = (5 kg) (79,5 kkal/kg)
Q = 397,5 kkal = 397,5 Kalori (huruf K besar) = 397,5 x 103 kalori (huruf k kecil)
1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule
397,5 kkal = 397,5 x 4.186 Joule = 1.663.935 Joule = 1,66 kJ (kilo Joule)
Untuk mengubah 5 kg air menjadi es, kalor yang harus dilepaskan = 397 kkal atau pengurangan energi sebesar 1,66 Joule
Contoh soal 3 :
Berapakah energi yang diperlukan untuk mencairkan 2 kg emas ?
Panduan jawaban :
Q = mLF —- LF emas = 64,5 x 103 J/kg (lihat tabel)
Q = (2 kg) (64,5 x 103 J/kg)
Q = 129 x 103 Joule
Catatan :
Perubahan wujud suatu benda dapat dijelaskan secara lengkap menggunakan Teori Kinetik Gas.
KEKEKALAN ENERGI (KALOR)
Ketika benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, kalor akan mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Ingat ya, kalor adalah energi yang berpindah. Apabila benda-benda yang bersentuhan berada dalam sistem yang tertutup, maka energi akan berpindah seluruhnya dari benda yang memiliki suhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Sebaliknya apabila benda yang bersentuhan tidak berada dalam sistem tertutup, maka tidak semua energi dari benda bersuhu tinggi berpindah menuju benda yang bersuhu rendah.
Gurumuda pakai contoh saja… Misalnya kita mencampur air panas (suhu tinggi) dengan air dingin (suhu rendah). Apabila air panas dan air dingin dicampur dalam sebuah wadah terbuka (misalnya ember), maka tidak semua energi air panas berpindah menuju air dingin. Demikian juga air dingin tidak menerima semua energi yang disumbangkan oleh air panas. Sebagian energi air panas pasti berpindah ke udara. Jika kita ingin agar semua energi air panas dipindahkan ke air dingin maka kita harus mencampur air panas dan air dingin dalam sistem tertutup. Sistem tertutup yang dimaksudkan di sini adalah suatu sistem yang tidak memungkinkan adanya pertukaran energi dengan lingkungan. Contoh sistem tertutup adalah termos air panas. Dinding bagian dalam dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas. Temannya isolator tuh konduktor. Konduktor = bahan yang menghantarkan panas). Ssttt… dalam kenyataannya memang banyak sistem tertutup buatan yang tidak sangat ideal. Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya juga sangat kecil.
Lanjut ya… Apabila benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan dan benda-benda tersebut berada dalam sistem tertutup, maka ketika mencapai suhu yang sama, energi yang diterima oleh benda yang memiliki suhu yang lebih rendah = energi yang dilepaskan oleh benda yang bersuhu tinggi. Karena energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu = kalor, maka kita bisa mengatakan bahwa dalam sistem tertutup, kalor yang dilepaskan = kalor yang diterima. secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :
Q lepas = Q terima
Q yang hilang = Q yang dicuri
Q yang dibuang = Q yang dipungut
Ini adalah kekekalan energi kalor. Prinsip pertukaran energi dengan cara demikian merupakan dasar dari kalorimetri (kalorimetri = teknik alias prosedur pengukuran kuantitatif suatu pertukaran kalor). Alat ukurnya dikenal dengan julukan si kalorimeter. Pernah lihat kalorimeter-kah ? mudah2an di sekolahmu ada kalorimeter air. Kalorimeter biasanya dipakai untuk menentukan kalor jenis suatu benda. Mau praktikum ? Praktikum aja di blog gurumuda Tuh ada gambar kalorimeter…..
Tuh ada gambar kalorimeter…..
Biar paham, kita oprek beberapa contoh soal
Contoh soal 1 :
Karena kepanasan, diriku ingin menikmati teh hangat. Setelah mencuri sepotong es batu bermassa 0,2 kg dari warung di sebelah kos, es batu tersebut dicampur dengan teh hangat yang sedang menanti sentuhan es batu dalam sebuah gelas. Massa teh hangat = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 oC, sedangkan suhu si teh hangat = 40 oC. Setelah bersenggolan dan bersentuhan selama beberapa saat, es batu dan air hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera… Pertanyaannya, berapakah suhu es teh ? Kalau bingun, tanya saja ke warung terdekat… pasti diomelin anggap saja es batu dan teh hangat dicampur dalam sistem tertutup.
anggap saja es batu dan teh hangat dicampur dalam sistem tertutup.
Panduan jawaban :
Ssttt… pahami jalan cerita-nya ya. Jangan pake hafal. Tidak akan ada soal yang sama.
T = suhu
Massa es batu = 0,2 kg
Massa teh hangat = 0,2 kg
Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg Co
Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg Co
Kalor Lebur (LF) air = 334 x 103 J/Kg
Suhu es batu (Tes batu) = -10 oC
Suhu teh hangat (T teh hangat) = 40 oC
Suhu campuran = ?
Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir
Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,2 kg teh hangat, dari 40 oC sampai 0 oC
Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)
Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (40 oC – 0 oC)
Q lepas = (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (40 oC)
Q lepas = 33.440 Joule = 33,44 kJ
Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 oC sampai 0 oC
Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)( T titik lebur air – T awal)
Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (0 oC – (-10 oC))
Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (10 oC)
Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ
Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)
Q lebur = mLF
Q lebur = (0,2 kg) (334 x 103 J/Kg)
Q lebur = 66,8 x 103 Joule = 66,8 kJ
Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :
Q lepas = 33,44 kJ
Q terima = 4,2 kJ
Q lebur = 66,8 kJ
Ketika teh hangat melepaskan kalor sebanyak 33,44 kJ, suhu teh hangat berubah dari 40 oC menjadi 0 oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC. hitung2an dulu ya… 33,44 kJ – 4,2 kJ = 29,24 kJ. Kalor yang tersisa = 29,24 kJ.
Nah, untuk meleburkan semua es batu menjadi air diperlukan kalor sebesar 66,8 kJ. Kalor yang tersisa hanya 29,24 kJ.
Kesimpulannya, kalor yang disumbangkan oleh teh hangat hanya digunakan untuk menaikan suhu es dari -10 oC sampai 0 oC dan meleburkan sebagian es batu. Sebagian es batu telah berubah menjadi air, sedangkan sebagiannya belum. Ingat ya, selama proses peleburan, suhu tidak berubah. Karenanya suhu akhir campuran es = 0 oC.
Catatan :
Dalam kehidupan sehar-hari, semua es batu akan mencair karena udara juga ikut2an menyumbang kalor. Untuk contoh soal di atas, kita menganggap campuran berada dalam sistem tertutup, sehingga suhu akhir akan tetap seperti itu.
Contoh soal 2 :
Massa teh panas = 0,4 kg, massa es batu = 0,2 kg. Anggap saja suhu es batu = -10 oC, sedangkan suhu si teh panas = 90 oC. Jika keduanya dicampur, berapakah suhu akhir campuran ? anggap saja campuran berada dalam sistem tertutup
Kalor jenis (c) air = 4180 J/kg Co
Kalor jenis (c) es = 2100 J/kg Co
Kalor Lebur (LF) air = 334 x 103 J/Kg
Langkah pertama : Perkirakan keadaan akhir
Kalor yang harus dilepaskan oleh air untuk menurunkan suhu 0,4 kg teh panas, dari 90 oC sampai 0 oC
Q lepas = (massa teh hangat)(kalor jenis air)(T awal – T titik lebur air)
Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC – 0 oC)
Q lepas = (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC)
Q lepas = 150.480 Joule = 150,48 kJ
Kalor yang diterima oleh 0,2 kg es batu untuk menaikan suhunya dari -10 oC sampai 0 oC
Q terima = (massa es batu)(kalor jenis es)(T titik lebur air – T awal)
Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (0 oC – (-10 oC))
Q terima = (0,2 kg) (2100 J/Kg Co) (10 oC)
Q terima = 4200 Joule = 4,2 kJ
Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 0,2 kg es batu (Kalor yang diperlukan untuk mengubah semua es batu menjadi air)
Q lebur = mLF
Q lebur = (0,2 kg) (334 x 103 J/Kg)
Q lebur = 66,8 x 103 Joule = 66,8 kJ
Berdasarkan hasil perhitungan di atas, diperoleh hasil sebagai berikut :
Q lepas = 150,48 kJ
Q terima = 4,2 kJ
Q lebur = 66,8 kJ
Ketika teh panas melepaskan kalor sebanyak 150,48 kJ, suhu teh panas berubah dari 90 oC menjadi 0 oC. Sebagian kalor yang dilepaskan (sekitar 4,2 kJ) dipakai untuk menaikkan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC. hitung2an lagi…. 150,48 kJ – 4,2 kJ = 146,28 kJ. Kalor yang tersisa = 146,28 kJ
Nah, kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air hanya sebesar 66,8 kJ. 146,28 kJ – 66,8 kJ = 79,48 kJ. Ternyata kelebihan 79,48 kJ. Teh panas tidak perlu melepaskan semua kalor hingga suhunya berkurang menjadi 0 oC. Kesimpulannya : suhu akhir campuran pasti lebih besar dari 0 oC.
Ok, tancap gas…….
Langkah Kedua : Menentukan suhu akhir (T)
Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu es batu dari -10 oC sampai 0 oC = 4200 Joule
Kalor yang diperlukan untuk meleburkan semua es batu menjadi air alias kalor laten = 66.800 Joule
Kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu air (air hasil peleburan semua es batu) dari 0 oC sampai T
= (massa es batu)(kalor jenis air)(T – 0 oC)
= (0,2 kg) (4180 J/Kg Co) (T)
= (836 T) J/Co
Kalor yang dilepaskan oleh te hangat untuk menurunkan suhunya dari 90 oC sampai T
= (massa air panas)(kalor jenis air)(90 oC – T)
= (0,4 kg) (4180 J/Kg Co) (90 oC – T)
= 1672 J/Co (90 oC – T)
= 150.480 J – (1672 T) J/Co
SUMBER:
http://www.gurumuda.com/kalor-kalor-jenis-kapasitas-kalor
No comments:
Post a Comment