Asas Black & Aturan Kekekalan Energi, Rumus, Pola Soal Dan Pembahasan

Kalor merupakan bentuk energi yaitu energi panas. Karena bentuk energi maka dalam sistem SI, kalor mempunyai satuan joule. Kesetaraannya ialah 1 kal = 4,2 joule atau 1 joule = 0,24 kal. Berbicara mengenai kalor tentunya tidak lepas dari Asas Black dan Hukum Kekekalan Energi. Nah pada kesempatan kali ini kita akan membahas wacana Asas Black dan hubungannya dengan Kekekalan Energi. Untuk itu, silahkan kalian simak baik-baik klarifikasi berikut ini.

Apa itu Asas Black?

Pernahkah kalian mandi dan airnya kedinginan? Kemudian kalian mencampurkan air panas pada air mandi kalian. Begitu pula sebaliknya, pernahkah kalian menciptakan teh anggun dan terlalu panas? Untuk mendinginkan kalian tambah es kedalam teh tersebut.

Kejadian-kejadian yang pernah kalian lakukan menyerupai di atas ternyata sangat sesuai dengan konsep fisika. Setiap dua benda atau lebih dengan suhu berbeda dicampurkan maka benda yang bersuhu lebih tinggi akan melepaskan kalornya, sedangkan benda yang bersuhu lebih rendah akan menyerap kalor sampai mencapai keseimbangan yaitu suhunya sama.

Pelepasan dan perembesan kalor ini besarnya harus imbang. Kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap sehingga berlaku aturan kekekalan energi. Pada sistem tertutup, kekekalan energi panas (kalor) ini sanggup dituliskan sebagai berikut.

QLepas = QTerima ………. Pers. (1)

Keterangan:

QLepas = jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat (Joule)

QTerima = jumlah kalor yang diterima oleh zat (Joule)

Hubungan pada persamaan (1) di atas pertama kali dijelaskan oleh Joseph Black. Kemudian persamaan itu dikenal dengan Azas Black. Untuk lebih memahami penerapan Asas Black dalam perhitungan kalor pada pencampuran dua zat dengan suhu yang berbeda, silahkan kalian simak baik-baik pola soal dan pembahasannya berikut ini.

Contoh Soal 1:

Botol termos berisi 230 gram kopi pada suhu 80oC. Kemudian ditambahkan susu sebanyak 20 gram bersuhu 5oC. Jika tidak ada kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos dan kalor jenis kopi = susu = air = 1,00 kal/goC, maka berapakah suhu keseimbangan campuran?

Penyelesaian:

Diketahui:

TK = 80oC

mK = 250 g

TS = 5oC

mS = 20 g

c = 1 kal/goC

Ditanyakan: suhu simpulan (TA)= …?

Jawab:

Untuk mempermudah perhitungan sanggup digambar grafik kekerabatan Q-T menyerupai yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Dari grafik terlihat bahwa kopi akan melepas kalor (QLepas) dan susu akan menyerap kalor (QTerima). Besarnya memenuhi Asas Black sebagai berikut.

QTerima = QLepas

QS = QK

≫ mS × cS × ∆TS = mK × cK × ∆TK

≫ mS × cS × (TA – TS) = mK × cK × (TK – TA)

≫ 20 × 1 × (TA – 5) = 230 × 1 × (80 – TA)

≫ 20(TA – 5) = 230(80 – TA)

≫ 2(TA – 5) = 23(80 – TA)

≫ 2TA – 10 = 1840 – 23TA

≫ 2TA + 23TA = 1840 + 10

≫ 25TA = 1850

≫ TA = 1850/25

≫ TA = 74

Jadi, suhu keseimbangan atau suhu simpulan adonan antara kopi dan susu tersebut ialah 74oC.

Latihan Soal 1

Setelah kalian memahami pola soal di atas, silahkan kalian coba kerjakan soal berikut ini. Ke dalam sebuah baskom yang berisi air 4oC dicelupkan besi 2000 gram, suhu 90oC. Jika massa air 300 gram dan kalor jenis besi = 0,10 kal/goC, maka tentukan suhu kesetimbangannya!

Percampuran dua benda atau lebih yang memakai azas Black dalam menganalisanya sangat berkaitan dengan perubah suhu dan perubah wujud. Jika dalam proses percampuran terjadi perubahan wujud maka perlu perhatian yang khusus. Cermati pola berikut untuk lebih memahaminya.

Contoh Soal 2:

Dalam gelas berisi 200 cc air 40oC kemudian dimasukkan 40 gram es 0oC. Jika kapasitas kalor gelas 20 kal/oC dan kalor lebur es ialah 80 kal/g, maka berapakah suhu seimbangnya?

Penyelesaian:

Diketahui:

Tair = 40oC

Vair = 200 cc = 200 cm3

mair = ρair × Vair

mair = (1 g/cm3)(200 cm3)

mair = 200 g

Cgelas = 20 kal/oC

Tgelas = Tair

Tes = 0oC

mes= 40 g

Les = 80 kal/g

cair = 1 kal/goC

Ditanyakan: suhu simpulan (TA)= …?

Jawab:

Dari massa dan suhu air dibandingkan dengan massa dan suhu es sanggup diprediksi bahwa suhu simpulan adonan akan melebihi 0oC, sehingga sanggup digambarkan grafik Q-T menyerupai pada gambar di bawah ini.

Pada proses tersebut, berlaku azas Black sebagai berikut.

Q1 + Q2 = Q3 + Q4

≫ (mes × Les) + (mes × cair × ∆Tes) = (Cgelas × ∆Tair) + (mair × cair × ∆Tair)

(mes × Les) + [mes × cair × (TA – Tes)] = [Cgelas × (Tair – TA)] + [mair × cair × (Tair – TA)]

≫ (40 × 80) + [40 × 1 × (TA – 0)] = [20 × (40 – TA)] + [200 × 1× (40 – TA)]

≫ 3200 + 40TA = 20(40 – TA) + 200(40 – TA)

≫ 320 + 4TA = 2(40 – TA) + 20(40 – TA)

≫ 320 + 4TA = 80 – 2TA + 800 – 20TA

≫ 4TA + 2TA + 20TA = 80 + 800 – 320

≫ 26TA = 560

≫ TA = 560/26

≫ TA = 21,54

Jadi, suhu seimbangnya ialah 21,54oC.

Latihan Soal 2

Setelah kalian memahami pola soal di atas, silahkan kalian coba kerjakan soal berikut ini. a gram es –10oC dicampur dengan b gram air bersuhu 20oC. Jika suhu simpulan yang dicapai 5oC, kalor lebur es 80 kal/g, kalor jenis es 0,5 kal/goC, maka tentukan nilai perbandingan a/b!

Hukum Kekekalan Energi

Di Sekolah Menengah Pertama kalian sudah dikenalkan wacana kekekalan energi. Energi tidak sanggup dimusnahkan dan tidak sanggup diciptakan tetapi sanggup berubah bentuk. Pernyataan ini merupakan hukum kekekalan energi secara umum.

Kalor merupakan salah satu bentuk energi berarti harus juga memenuhi kekekalan energi. Kalor sanggup menjelma bentuk lain contohnya listrik (PLTU). Begitu pula kalor sanggup timbul dari energi lain contohnya cahaya dan listrik juga (strika listrik).

Contoh Soal 3:

Sebuah kompor listrik yang dayanya 500 watt dan daya gunanya 40% dipakai untuk memanaskan 1 liter air yang suhu awalnya 20oC. Jika kalor jenis air ialah 4 J/goC, maka berapakah suhu air sehabis ¼ jam?

Penyelesaian:

Diketahui:

P = 500 watt

Daya guna = 40%

mair = 1 liter = 1000 cm3 = 1000 g

cair = 4 J/goC

T0 = 20oC

t = ¼ jam = ¼ × 3600 s = 900 s

Ditanyakan: suhu simpulan (TA) = …?

Jawab:

Pada pemanasan air dengan kompor listrik ini terjadi perubahan energi listrik menjadi kalor. Karena daya gunanya 40% maka sanggup berlaku:

Kalor = energi

Q = 40%W

≫ mair × cair × ∆T = 0,4 × P × t

≫ mair × cair × (TA – T0) = 0,4 × P × t

≫ 1000 × 4 × (TA – 20) = 0,4 × 500 × 900

≫ 4000(TA – 20) = 180000

≫ 4(TA – 20) = 180

≫ 4TA – 80 = 180

≫ 4TA = 180 + 80

≫ 4TA = 260

≫ TA = 260/4

≫ TA = 64

Jadi, suhu simpulan air sehabis ¼ jam atau 900 detik ialah 65oC.

Latihan Soal 3

Setelah kalian memahami pola soal di atas, silahkan kalian coba kerjakan soal berikut ini. Elemen pemanas sebuah kompor listrik 110 V mempunyai kendala 20 Ω. Jika kompor ini dipakai untuk memanaskan 1 kg air bersuhu 20oC selama 7 menit dan dipasang pada tegangan 110 volt, maka tentukan suhu simpulan air (kalor jenis air 1 J/kgoC)!