Bab 4. Suhu dan Perubahannya (Materi 4 : Hubungan Kalor dan Perubahan Wujud Zat)

Kompetensi Dasar :

Pengetahuan

3.4 Memahami konsep suhu, pemuaian, kalor, perpindahan kalor, dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari termasuk mekanisme menjaga kestabilan suhu tubuh pada manusia dan hewan.

Keterampilan

4.4 Melakukan percobaan untuk menyelidiki pengaruh kalor terhadap suhu dan wujud benda serta perpindahan kalor.

Tujuan Pembelajaran :

Setelah mengikuti proses pembelajaran daring, peserta didik dapat :

1. Mendeskripsikan hubungan kalor dengan perubahan wujud dengan benar.

2. Melakukan perhitungan jumlah kalor pada perubahan wujud zat dengan benar.

Assalamualaikum Wr. Wb
Anak-anak, sebelum kita belajar IPA hari ini, jangan lupa untuk berdoa terlebih dahulu. Dengan doa dan upaya kalian yang sungguh-sungguh, Pak Arief yakin kalian akan mampu menguasai materi hari ini. Berikut Peta Konsep materi yang akan kita pelajari.

PETA KONSEP

APERSEPSI

Sebelum melanjutkan membaca ringkasan materi, silakan disimak dulu video berikut ini untuk memberikan gambaran mengenai materi yang akan kita pelajari.

RINGKASAN MATERI

A. Perubahan Wujud

• Jika suatu zat yang saat telah mencapai titik leburnya dan terus diberikan kalor, maka kalor tersebut tidak digunakan untuk mengubah suhu dari zat tersebut, tetapi digunakan untuk mengubah wujud zat. Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud zat disebut dengan kalor laten.
• Suatu zat dapat mengalami perubahan wujud jika zat tersebut menerima kalor atau melepaskan kalor. Agar lebih mudah dalam memahaminya perhatikan diagram berikut.

Keterangan:

1 : mencair/melebur (memerlukan kalor / panas)

2 : membeku (melepaskan kalor / panas)

3 : menguap (memerlukan kalor / panas)

4 : mengembun (melepaskan kalor / panas)

5 : menyublim (memerlukan kalor / panas)

6 : mengkristal (melepaskan kalor / panas)

• Saat terjadi perubahan wujud zat dari satu bentuk ke bentuk yang lain terjadi juga perubahan susunan partikel dan gerak partikel dari benda tersebut. 
• Berikut gambar terkait dengan gerak partikel pada masing-masing wujud.

 Sumber : Oxford IB Diploma Progamme : physics

B. Kalor Laten

• Kalor laten adalah kalor yang digunakan untuk mengubah wujud zat.
• Kalor laten ada dua jenis yakni :
1. Kalor laten yang digunakan untuk proses melebur (dari zat padat ke zat cair) atau sebaliknya yaitu proses membeku (dari zat cair ke zat padat).
2. Kalor laten yang digunakan untuk proses menguap (dari zat cair ke zat gas) atau sebaliknya yaitu proses mengembun (dari zat gas ke zat padat).
• Kalor laten yang digunakan untuk proses melebur secara matematis dapat ditentukan dengan persamaan

        Q_L = m . L

        Dimana L adalah kalor lebur zat (J/kg)

• Kalor laten yang digunakan untuk proses menguap secara matematis dapat ditentukan dengan persamaan

        Q_U = m . U

        Dimana U adalah kalor uap zat (J/kg)

• Suatu zat yang menerima kalor (dipanaskan) atau melepaskan kalor (didinginkan) akan mengalami beberapa proses perubahan suhu dan perubahan wujud seperti yang digambarkan pada grafik di bawah ini.

• Berdasarkan grafik di atas, perubahan suhu yang terjadi dapat menyebabkan perubahan suhu (grafik yang miring) dan perubahan wujud (grafik yang lurus)

C. Grafik Perubahan Wujud Air

Salah satu fenomena yang sering dibahas di dalam kelas adalah grafik suhu terhadap waktu untuk perubahan wujud air seperti yang terlihat di bawah ini

Berdasarkan grafik di atas dapat diketahui :

m_es = m_air (hanya wujudnya saja yang berubah tetapi massanya tetap)

1. Q_AB = Q₁ = m_es c_es ( 0 - (-10) )

2. Q_BC = Q₂ = m_es L_es

3. Q_CD = Q₃ = m_es c_air ( 100 - 0 )

4. Q_DE = Q₄ = m_es U_air

5. Q_EF = Q₅ = m_es c_air ( 150 - 100 )

Berdasarkan grafik di atas, jumlah kalor yang diperlukan bergantung pada proses yang terjadi misalkan :

Q_AC = Q₁ + Q₂

Q_BE = Q₂ + Q₃ + Q₄
Q_total = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅

Tips:

• Perhatikan satuan dari kalor jenis yang digunakan dalam soal. Jika dalam J/kg^oC maka massa benda juga harus dalam kg, dan jika satuan kalor jenis benda dalam kal/g^oC maka massa benda dalam gram.
• Semakin besar kalor jenis suatu benda, maka benda tersebut semakin susah untuk dipanaskan.
• Perhatikan juga kalor jenis yang digunakan, harus sesuai dengan bentuk zatnya.
• Perhatikan perubahan suhu pada persamaan di atas, harus sesuai dengan kalor yang akan dihitung.

D. Asas Black

• Jika ada dua benda yang berbeda suhunya dicampur atau saling bersentuhan maka benda yang bersuhu tinggi akan kehilangan kalor sehingga suhunya menurun dan benda yang bersuhu rendah akan mendapatkan kalor sehingga suhunya akan meningkat. 
• Konsep ini pertama kali dikemukakan oleh Joseph Black (1728 - 1799) seorang fisikawan asal Skotlandia pada tahun 1760 yang dikenal sebagai Asas Black. 
• Secara umum Asas Black berbunyi “Jumlah kalor yang dilepaskan oleh benda bersuhu tinggi sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh benda bersuhu rendah” dan secara matematis dapat ditulis :

Q_lepas = Q_terima

• Benda yang awalnya bersuhu tinggi akan mengalami penurunan suhu (melepaskan kalor) hingga suatu saat suhunya menjadi konstan sedangkan benda yang awalnya bersuhu rendah akan mengalami peningkatan suhu (menerima kalor) hingga suatu saat suhunya menjadi konstan. Suhu konstan yang dicapai kedua benda ini disebut dengan kesetimbangan termal.

CONTOH SOAL

1. Sepotong es massanya 500 gram dan suhunya -10o C dipanaskan sampai menguap. Jika kalor jenis es = 2.100 J/kgoC , kalor jenis air = 4200 J/kgoC,  kalor lebur es = 336.000 J/kg, dan kalor uap air 2.268.000 J/kg, maka tentukan jumlah kalor total yang dibutuhkan untuk mengubah wujud zat dari proses A ke E !

Pembahasan:

Diketahui:

mes = mair= 500 gram = 0,5 kg

TA = -10o C

TB = 0o C

TC = 0o C

TD = 100o C

Ces = 2.100 J/kgoC

Cair = 4.200 J/kgoC

Les = 336.000 J/kg

Uair = 2.268.000 J/kg

Ditanyakan : Qt A-B-C-D-E

Jawab :

Peristiwa 1: A – B : Perubahan suhu (dari -10o C ke 0o C )

Kalor yang dibutuhkan (Q1):

Q1 = mes x Ces x (TB -TA)

Q1 = 0,5 kg x 2.100 J/kg x [0 - (-10)] oC

Q1 = 10.500 J

Peristiwa 2 : B – C : Perubahan wujud zat (melebur)

Kalor yang dibutuhkan (Q2):

Q2 = mes  x Les

Q2 =  0,5 kg x 336.000 J/kg

Q2 = 168.000 J

Peristiwa 3 : C – D : Perubahan suhu (dari 0o C ke 100o C)

Kalor yang dibutuhkan (Q3):

Q3 = mair x Cair x (TD -TC)

Q3 = 0,5 kg x 4.200 J/kgoC x (100 - 0) oC

Q3 = 210.000 J

Peristiwa 4 : D – E : Perubahan wujud zat (menguap)

Kalor yang dibutuhkan (Q4):

Q4 = mair  x Uair

Q4 =  0,5 kg x 2.268.000 J/kg

Q4 = 1.134.000 J

Kalor total (Qt) :

Qt = Q1 + Q2 + Q3 + Q4

Qt = 10.500 J + 168.000 J + 210.000 J + 1.134.000 J

Qt = 1.552.500 J = 1.552,5 kJ

2. Tentukan banyaknya kalor yang diperlukan 200 gram es pada proses B ke D, jika kalor jenis es = 0,5 kal/g°C , kalor jenis air = 1 kal/g°C dan kalor lebur es 80 kal/g !

Pembahasan:

Diketahui:

mes = mair= 200 gram 

TA = -10o C

TB = 0o C

TC = 0o C

TD = 100o C

Ces = 0,5 kal/goC

Cair = 1 kal/goC

Les = 80 kal/g

Ditanyakan : Qt B-C-D

Jawab :

Peristiwa 1 : B – C : Perubahan wujud zat (melebur)

Kalor yang dibutuhkan (Q1):

Q2 = mes  x Les

Q2 =  200 g x 80 kal/g

Q2 = 16.000 kal

Peristiwa 2 : C – D : Perubahan suhu (dari 0o C ke 50o C)

Kalor yang dibutuhkan (Q2):

Q2 = mair x Cair x (TD -TC)

Q2 = 200 g x 1 kal/goC x (50 - 0) oC

Q2 = 10.000 kal

Kalor total (Qt) :

Qt = Q1 + Q2 

Qt = 16.000 kal + 10.000 kal

Qt = 26.000 kal = 26 kkal

3. Air bermassa 200 gram bersuhu 30°C dicampur air mendidih bermassa 100 gram dan bersuhu 90°C. (Kalor jenis air = 1 kal/gram°C). Tentukan suhu air campuran pada saat keseimbangan termal !
Pembahasan
Diketahui :
Massa air 1 (m1) = 200 gram
Suhu air 1 (T1) = 30^oC
Massa air 2 (m2) = 100 gram
Suhu air 2 (T2) = 90^oC
Kalor jenis air (c) = 1 kal/gram°C
Ditanyakan : suhu akhir campuran (TC)
Jawab :

Kalor yang dilepas air bersuhu tinggi = kalor yang diterima air bersuhu rendah
                                               Q_lepas = Q_terima
                             m₂ x c_air x (T₂ -T_C) = m₁ x c_air x (T_C -T₁)
                               100 x 1 x (90 -T_C) =  200 x 1 x (T_C - 30)
                                        100 (90 -T_C) =  200 (T_C - 30)
                                       9000 - 100T_C =  200T_C - 6000
                                        9000 + 6000 =  200T_C + 100T_C
                                                  15000 =  300T_C
                                                        T_C = 15000/300 = 50^oC

4. Logam tembaga bersuhu 100^oC dimasukkan ke dalam air yang bermassa 128 gram dan bersuhu 30 ^oC. Kalor jenis air 1 kal/g ^oC dan kalor jenis tembaga 0,1 kal/g ^oC. Jika kesetimbangan termal terjadi pada suhu 36 ^oC, maka tentukan massa logam tersebut !

Pembahasan
Diketahui :
Massa air (m2) = 128 gram
Suhu tembaga (T1) = 100^oC
Suhu air (T2) = 30^oC

Suhu kesetimbangan/campuran (TC) = 36^oC
Kalor jenis tembaga (c1) = 0,1 kal/gram°C

Kalor jenis air (c2) = 1 kal/gram°C
Ditanyakan : massa tembaga (m1)
Jawab :

Kalor yang dilepas air bersuhu tinggi = kalor yang diterima air bersuhu rendah
                                               Q_lepas = Q_terima
                              m₁ x c₁ x (T₁ -T_C) = m₂ x c₂ x (T_C -T₂)
                          m₁ x 0,1 x (100 - 36) = 128 x 1 x (36 - 30)
                                   m₁ x 0,1 x (64) = 128 (6)

                                                6,4 m₁ =  768

                                                      m₁ = 768 / 6,4 = 120 gram 

REFERENSI

• Video referensi :
Beberapa video referensi terkait materi bisa dilihat dengan cara klik pada gambar. 

PENUGASAN MANDIRI

• Tugas dikerjakan di buku tugas kemudian difoto.
• Tugas dikumpulkan melalui WA ke nomor HP Pak Arief maksimal 1 hari setelah pemberian tugas.
• Jangan lupa sampaikan salam dan perkenalkan diri dulu saat mengirimkan tugas.

Soal Latihan :

1. Jika massa es 2 kg, kalor jenis es 2.100 J/KgoC, kalor lebur es 336.000 J/KgoC, dan kalor jenis air adalah 4.200 J/KgoC, maka tentukan kalor yang dibutuhkan dalam proses dari P-Q-R-S !

2. Sebuah gelas berisi air yang dingin dengan massa 200 gram pada suhu 20^oC dicampurkan dengan air yang panas yang memiliki massa 100 gram pada 80^oC. Jika gelas dianggap tidak menerima kalor maka berapakah suhu akhir campuran dari air dingin dan air panas itu ? (Kalor jenis air 1 kal/g ^oC)

~ Tetap Semangat Belajar IPA #dirumahaja ~