MODUL PERPINDAHAN KALOR
1
PERPINDAHAN KALOR
OLEH: CITRA WAHYUNI 3215102338 JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA 2
PERPINDAHAN KALOR
OLEH: CITRA WAHYUNI 3215102338 JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA 2
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas karunia dan hidayah-Nya, penulis dapat menyusun bahan ajar modul SMA jurusan IPA dengan materi
Perpindahan
“
Klaor . Modul yang disusun ini menggunakan KTSP (Kurikulum Tingkat Satuan Pendidikan) ” ”
dengan menganalisis Kompetensi Dasar (KD) yang harus dicapai. Modul perpindahan kalor ini dapat terselesaikan, tentu dengan banyaknya dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada berbagai pihak, terutama dosen penulis yakni Ibu Desnita, M.Si atas saran dan motivasi yang diberikan dalam meyelesaikan bahan ajar ini. Kami mengharapkan saran dan kritik dari berbagai pihak guna menyempurnakan atau memperbaiki modul perpindahan kalor ini. Demikian, semoga modul ini dapat bermanfaat bagi semua siswa SMA jurusan IPA dalam memahami konsep perpindahan kalor.
Jakarta, Desember 2012 Penulis
Citra Wahyuni
3
Kerangka Modul Ú Halaman Sampul Ú Halaman Francis Ú Kata Pengantar Ú Daftar Isi Ú Peta Kedudukan Kedudukan Modul Ú Glosarium
I.
PENDAHULUAN A.
Deskripsi
B.
Prasyarat
C.
Petunjuk Penggunaan Modul
1.
Penjelasan Bagi Peserta didik
2.
Peran Guru D.
Tujuan Akhir
E.
Standar Kompetensi
F.
Cek Kemampuan Awal
II. PEMBELAJARAN PERPINDAHAN KALOR 1. Konduksi 1.1 Pengertian Konduksi 1.2 Proses perpindahan kalor konduksi 1.3 Perbedaan Konduktor dan Isolator 1.4 Besaran-besaran fisis 1.5 Hubungan laju kalor konduksi dengan besaran-besaran fisisnya 1.6 Pengaruh suhu pada sambungan dua batang logam yang berbeda jenis 1.7 Contoh Perpindahan kalor konduksi dalam kehidupan sehari-hari
4
2. Konveksi 2.1 Pengertian Konveksi 2.2 Jenis-jenis Konveksi 2.2.1 Konveksi alami 2.2.2 Konveksi buatan 2.3 Besaran-besaran fisis 2.4 Hubungan laju kalor konveksi dengan besaran-besaran fisisnya 2.5 Konveksi dalam keseharian
3. Radiasi 3.1 Pengertian Radiasi 3.2 Penyerap kalor radiasi yang baik dan buruk 3.3 Besaran-besaran fisis 3.4 Hubungan laju kalor radiasi dengan besaran-besaran fisinya 3.5 Contoh dan Pemanfaatan Radiasi
5
DAFTAR ISI Halaman Sampul ............................................................................................................................1 Halaman Francis …………………………………........................................... ..............................................2 Kata Pengantar ..............................................................................................................................3 Kerangka Modul.............................................................................................................................4 Daftar Isi ........................................................................................................................................6 Peta Konsep...................................................................................................................................8 Glosarium.......................................................................................................................................9 I. PENDAHULUAN .........................................................................................................................10 1.1 Deskripsi ..............................................................................................................................10 1.2 Prasarat ...............................................................................................................................11 1.3 Petunjuk Penggunaan Modul ..............................................................................................11 1.4 Tujuan Akhir ........................................................................................................................12 1.5 Kompetensi .........................................................................................................................13 1.6 Cek Kemampuan .................................................................................................................13 II. PEMBELAJARAN .......................................................................................................................14 2.1 Kegiatan Belajar 1 ...............................................................................................................14 2.1.1 Tujuan Kegiatan Pembelajaran ...................................................................................14 2.1.2 Uraian Materi ..............................................................................................................14 2.1.3 Rangkuman ..................................................................................................................15 2.1.4 Tugas 1 .........................................................................................................................16 2.1.5 Tes Formatif 1 ..............................................................................................................16 2.2 Kegiatan Belajar 2 ...............................................................................................................17 2.2.1 Tujuan Kegiatan Pembelajaran ....................................................................................17 2.2.2 Uraian Materi ..............................................................................................................17 2.2.3 Rangkuman ..................................................................................................................25 2.2.4 Tugas 2 .........................................................................................................................25 2.2.5 Tes Formatif 2 ..............................................................................................................26
6
2.3 Kegiatan Belajar 3 ...............................................................................................................27 2.3.1 Tujuan Kegiatan Pembelajaran ....................................................................................27 2.3.2 Uraian Materi ..............................................................................................................27 2.3.3 Rangkuman ..................................................................................................................35 2.3.4 Tugas 3.........................................................................................................................35 2.3.5 Tes Formatif 3 ..............................................................................................................35 2.4 Kegiatan Belajar 4 ...............................................................................................................37 2.4.1 Tujuan Kegiatan Pembelajaran ....................................................................................37 2.4.2 Uraian Materi ..............................................................................................................37 2.4.3 Rangkuman ..................................................................................................................43 2.4.4 Tugas 2 .........................................................................................................................43 2.4.5 Tes Formatif 2 ..............................................................................................................43 III. EVALUASI ................................................................................................................................45 3.1 Tes Tertulis ..........................................................................................................................45 IV. PENUTUP ................................................................................................................................47 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................................48 KUNCI JAWABAN ..........................................................................................................................49
7
Peta konsep modul
Suhu dan Kalor
Suhu
Kalor
Perpindahan Kalor
Besaranbesaran fisis
Rumusan matematis
Perubahan Wujud
Konveksi
Konduksi
Proses
Pemuaian
Contoh/ Aplikasi
Konvek si alami
Contoh/ Aplikasi
Konvek si paksa
Contoh/ Aplikasi
Radiasi
Besaranbesaran fisis
Rumusan matematis
Penyerap kalor radiasi
Besaranbesaran fisi
Rumusan matematis
8
Contoh /Aplika si
GLOSARIUM
ISTILAH Konduktivitas
KETERANGAN merupakan ukuran kemampuan zat menghantarkan kalor
termal (k ) Koefisien konveksi merupakan ukuran kemampuan zat menghantarkan kalor yang termal (h)
nialinya bergantung pada bentuk dan kedudukan permukaan, yaitu tegak, miring, menghadap ke bawah atau menghadap ke atas.
Emisivitas (e)
kuantitas
yang
menyatakan
kemampuan
benda
untuk
memancarkan energy
9
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Deskripsi
Setelah sekilas memahami adanya sejumlah kalor dapat menyebabkan perubahan wujud atau kenaikan suhu pada suatu benda, serta telah dipelajarinya proses pemuaian sebagai dampak adanya penyerapan kalor pada benda, yang tentunya menuntut pemahaman tentang adanya konsep konversi dari berbagai satuan dari besaran perubahan suhu, maka yang tak kalah pentingnya dari semua itu bahwa kalor sebagai suatu bentuk energi ternyata dapat mengalami perubahan tempat, atau dikatakan bahwa kalor dapat berpindah tempat. Tanpa usaha luar, maka kalor sebagai suatu bentuk energi dapat berpindah tempat dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah dengan berbagai cara, yaitu : Konduksi, Konveksi, dan Radiasi. Saat kamu mendekatkan sendok ke pembakar spiritus, maka kamu akan merasakan panas menjalar ke ujung bagian sendok yang kamu pegang. Itu merupakan salah satu contoh proses perpindahan kalor. Perpindahan kalor seperti ini tidak disertai dengan perpindahan partikel-partikel perantaranya. Perpindahan kalor seperti ini disebut perpindahan kalor konduksi. Selain itu, pernahkah kamu mengamati proses ketika memasak air? Saat kamu memasak air, bagian air yang panas hanya yang terkena nyala kompor saja, lalu mengapa pada akhirnnya keseluruhan air mendidih? Hal ini terjadi karena saat panci bagian bawah terkena nyala api, volume air yang dekat dengan nyala api akan memuai dan menyebabkan masaa jenis nya berkurang, sehingga lebih ringan dari sebelumnya. Posisi air bagian bawah, akan digantikan dengan air yang berada pada bagian atas karena massa jenisnya lebih besar. Proses ini akan berlangsung terusmenerus sampai suhu air secara keseluruhan sama. Perpindahan kalor ini disertai 10
perpindahan partikel-partikel perantaranya. Perpindahan kalor ini disebut perpindahan kalor konveksi.
Selanjutnya, perpindahan kalor dapat terjadi secara pancaran/ radiasi . Perpindahan kalor seperti ini dapat kamu amati saat berkemah menggunakan api unggun. Panas dari api unggun tersebut dapat kamu rasakan saat kamu duduk dihadapanya. Dalam bab ini kamu dapat memperdalam perpindahan kalor konuksi, konveksi, dan radiasi. 1.2 Prasyarat
Sebelum mempelajari tentang perpindahan kalor, anda harus menguasai materi kalor terlebih dahulu.
1.3 Petunjuk penggunaan modul
1. Pelajarilah peta konsep yang ada pada modul dengan teliti. 2. Pastikan bila anda membuka modul ini, anda siap mempelajarinya minimal satu kegiatan hingga tuntas. Jangan terputus – putus atau berhenti di tengah-tengah kegiatan. 3. Pahami tujuan pembelajaran yang ada pada setiap modul atau kegiatan belajar dalam modul anda. 4. Bacalah materi pada modul dengan cermat dan berikan tanda pada setiap kata kunci pada setiap konsep yang dijelaskan. 5. Perhatikan langkah-langkah dalam setiap contoh penyelesaian soal. 6. Kerjakan latihan soal yang ada, jika mengalami kesulitan bertanyalah kepada teman atau guru anda. 7. Kerjakan tes uji kompetensi pada setiap akhir kegiatan belahar sesuai kemampuan anda, cocokkan jawaban anda dengan kunci jawaban yang tersedia di modul, dan jika perlu lakukan perhitungan skor hasil belajar anda.
11
8. Apabila anda belum menguasai 65% materi tiap kegiatan, maka pelajarilah lagi kegiatan tersebut. 9. Ulangi kegiatan 2 sampai dengan 6 pada setiap kegiatan belajar hingga selesai. 10. Kerjakan soal-soal evaluasi terakhir.
1.4 Tujuan Akhir
Setelah mempelajari modul ini diharapkan Anda dapat : 1. Menyebutkan prinsip dasar peprindahan kalor 2. Menyebutkan 3 cara perpindahan kalor 3. Menyebutkan proses perpindahan kalor konduksi 4. Membedakan konduktor dan isolator 5. Menyebutkan besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor konduksi 6. Memformulasikan hubungan laju kalor konduksi dengan besaran fisis yang mempengaruhinya 7. Menyebutkan 1 contoh aplikasi alat yang menggunakan prinsip perpindahan kalor konduksi 8. Membedakan konveksi alami dengan konveksi buatan 9. Menyebutkan satu contoh perpindahan kalor konveksi alami dalam kehidupan sehari-hari 10. Menyebutkan dua contoh alat yang menggunakan prinsip perpindahan kalor konveksi paksa 11. Menyebutkan besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor konveksi 12. Memformulasikan hubungan laju kalor konveksi dengan besaran-besaran fisis yang mempengaruhinya 13. Membedakan benda yang baik dan buruk dalam menyerap dan memancarkan kalor radiasi 14. Menyebutkan besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor radiasi
12
15. Memformulasikan hubungan laju kalor radiasi dengan besaran fisis yang mempengaruhinya 16. Menyebutkan 2 contoh pemanfaatan kalor radiasi dalam kehidupan sehari-hari 1.5 Kompetensi
Standar Kompetensi 4. Menerapkan konsep kalor dan prinsip konservasi energi pada berbagai perubahan energi Kompetensi dasar 4.1 Menganalisis cara perpindahan kalor
1.6 Cek Kemampuan
Kerjakanlah soal-soal berikut ini, jika Anda dapat mengerjakan sebagian atau semua soal berikut ini, maka Anda dapat meminta langsung kepada guru Anda untuk mengerjakan soal-soal evaluasi untuk materi yang telah Anda kuasai pada bab ini. 1. Apa yang dimaksud dengan perpindahan kalor konduksi? 2. Sebatang alumunium yang panjangnya 0,400 m dan diameternya 6,00 x 10 -3 m digunakan untuk mengaduk larutan gula air yang berusaha 108 oC. Jika ujung kain batang berada pada suhu ruang 28 oC, berapa kalor yang mengalir sepanjang batang dalam 5 menit? Konduktivitas termal alumunium 200 W/(Mk) 3. Apa perbedaan antara konveksi alami dan konveksi paksa? 4. Apa perbedaan antara benda hitam dan putih dalam menyerap dan memancarkan kalor radiasi? 5. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m 2 dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah: a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam
13
BAB II PEMBELAJARAN
2.1 Kegiatan Belajar I
Perpindahan Kalor
2.1.1 Tujuan Kegiatan Pembelajaran
1. Menyebutkan prinsip dasar peprindahan kalor 2. Menyebutkan 3 cara perpindahan kalor
2.1.2 Uraian Materi
Pernahkah kamu menaruh sebongkah es di telapak tanganmu ? Apa yang terjadi selama beberapa menit? Bukankah telapak tanganmu akan terasa dingin dan bongkahan es akan mencair?
14
Gambar 1. Bongkahan es yang diletakkan
Sumber: www.google.co.id/gambar+es
ditangan.
Mengapa fenomena tersebut dapat terjadi ? Hal ini dikarenakan suhu telapak tanganmu lebih tinggi dibandingkan suhu bongkahan es, sehingga kalor berpindah dari telapak tanganmu ke bongkahan es tersebut. Proses ini berlangsung sampai telapak tanganmu dan es mencair ( suhu keduanya sama atau seimbang). Jadi, dapat disimpulkan bahwa kalor berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah.
Ada tiga cara perpindahan kalor, yaitu: 1. Konduksi 2. Konveksi 3. Radiasi Dalam modul ini kita akan mempelajari perpindahan kalor konduksi, konveksi dan radiasi secara rinci dan terpisah, walaupun dalam kejadian sehari-hari, perpindahan kalor ini dapat terjadi secara bersamaan dalam satu kondisi.
2.1.3 Rangkuman
-
Kalor berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah.
-
Ada tiga cara perpindahan kalor, yaitu: 1. Konduksi 2. Konveksi 3. Radiasi
15
2.1.4 Tugas 1
1. Apa yang kamu ketahui tentang perpindahan kalor? 2. Sebutkan satu fenomena yang menggambarkan perpindahan kalor konduksi, konveksi, dan radiasi secara bersamaan! 3. Mengapa es yang kamu pegang mencair dan tanganmu terasa dingin?
2.1.5. Tes Formatif 1
1. Apa prinsip terjadinya perpindahan kalor? 2. Sebutkan 3 cara perpindahan kalor! 3. Apa proses terakhir dari perpindahan kalor?
16
2.2 Kegiatan Belajar 2
Konduksi 2.2.1 Tujuan Kegiatan Pembelajaran
1. Menyebutkan proses perpindahan kalor konduksi 2. Membedakan konduktor dan isolator 3. Menyebutkan besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor konduksi 4. Memformulasikan hubungan laju kalor konduksi dengan besaran fisis yang mempengaruhinya 5. Menyebutkan 1 contoh aplikasi alat yang menggunakan prinsip perpindahan kalor 2.2.2 Uraian materi
A. Pengertian Konduksi Saat kamu memasak, apa yang kamu rasakan saat memegang bagian ujung spatula? Bukankah kamu merasakan panas ? Padahal ujung spatula yang kamu pegang tidak bersentuhan langsung dengan minyak yang mendidih, melainkan ujung spatula yang lain.
Gambar 2. Peristiwa konduksi saat memasak dengan menggunakan spatula. Sumber: www.google.co.id/gambar
17
Mengapa hal ini bisa terjadi? Hal ini karena kalor yang berada pada ujung spatula yang dekat dengan minyak mendidih berpindah ke ujung spatula yang kamu pegang. Perpindahan kalor seperti ini disebut perpindahan kalor konduksi. Dari contoh peristiwa di atas, dapat disimpulkan bahwa konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada perpindahan kalor konduksi yang berpindah hanyalah energi kalor , tanpa melibatkan partikel perantaranya. Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut: 1. Jika suatu benda mendapat energi panas maka energi panas tersebut digunakan untuk menggetarkan partikel-partikel benda tersebut. Pemanasan pada satu ujung benda menyebabkan partikel-partikel pada ujung itu bergetar lebih cepat dan suhunya naik. Partikel-partikel yang bergetar mempunyai energi kinetik lebih besar ini, memberikan sebagian energi kinetiknya kepada partikel tetangganya melalui tumbukan sehingga partikel tetangga bergetar dengan energi kinetik lebih besar pula. Setelah itu partikel tetangga ini memindahkan energi ke partikel tetangga berikutnya. Begitu seterusnya sampai proses pemindahan energi ke bagian ujung benda yang suhunya rendah. Proses perpindahan kalor seperti ini berlangsung lambat karena untuk memindahkan lebih banyak kalor diperlukan beda suhu yang tinggi di antara kedua ujung. 2. Pada logam, perpindahan kalor terjadi
melalalui
gerakan-
gerakan elektron bebas yang
terdapat dalam struktur atom logam.
Gambar 3. Pemanasan pada salah satu ujung logam. 18
Sumber: www.google.co.id/gambar
Elektron bebas ialah elektron yang dengan mudah dapat berpindah dari satu atom ke atom yang lain. Di ujung logam yang terkena panas, energi kalor pada elektron bertambah besar. Oleh karena elektron bebas mudah berpindah, pertambahan energi kalor ini dengan cepat dapat diberikan ke elektron-elektron lain letaknya lebih jauh melalui tumbukan. Dengan proses ini kalor pada logam dapat berpindah dengan cepat. Oleh karena itu, logam tergolong konduktor yang sangat baik. Dari penjelasan proses konduksi di atas, kita dapat mengetahui bahwa logam adalah konduktor yang sangat baik. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dibagi atas dua golongan besar, yaitu konduktor dan isolator . B. Konduktor dan Isolator a. Konduktor Apa yang dimaksud dengan konduktor? Konduktor ialah zat atau bahan yang mudah menghantarkan kalor. Konduktor dapat mudah menghantarkan kalor karena gerakan-gerakan elektron bebas pada atomnya dapat dengan mudah menghantarkan energi kalor ke elektron atom yang letaknya jauh. Contoh zat yang tergolong konduktor: logam, seperti alumunium, baja, dan tembaga. b. Isolator Apa yang dimaksud dengan isolator? Isolator ialah zat atau bahan yang sukar menghantarkan kalor. Contoh zat yang tergolong isolator: kayu, plastik, busa, wol, kain, dan lain-lain.
Apakah air termasuk Konduktor atau Isolator? Zat bukan logam umumnya bukan penghantar kalor yang baik (termasuk isolator). Untuk mencari tahu apakah air adalah isolator atau bukan dan contoh penerapan air sebagai isolator, lakukanlah kegiatan berikut ini: 19
Apakah Udara termasuk Konduktor atau Isolator? Udara termasuk penghantar kalor yang buruk(isolator). Udara sebagai penghantar kalor yang buruk telah sering kita manfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Apa contohnya? Saat musim hujan atau di ruangan yang ber-AC kalian biasa menggunakan selimut bukan? Udara yang terperangkap di anatara tubuh kalian dan selimut berfunsi sebagai isolator kalor, yang akan menghambat perpindahan kalor dari tubuh Anda ke udara dingin di luar selimut. Sebagai akibatnya tubuh kalian tetap hangat. C. Besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor konduksi Pada bagian ini, kita akan mencermati besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor konduksi melalui sebuah gambar. Gambar 4. Laju kalor yang melalui sebuah benda Sumber:
BSE
Belajar
Praktis
Kalor konduksi akan mengalir melalui suatu medium / benda. Perlu diketahui bahwa setiap benda (khususnya benda padat) yang dilewati kalor pasti mempunyai bentuk dan ukuran yang berbeda. Ada benda padat yang panjang, ada juga benda padat yang pendek. Ada yang gemuk (luas penampangnya besar), ada juga yang kurus (luas penampangnya kecil).
20
Ketika mengalir, kalor juga membutuhkan selang waktu tertentu. Aliran kalor ini bermula dari sisi benda yang memiliki suhu yang lebih tinggi (T 1) ke sisi (yang memiliki suhu yang lebih rendah (T 2). Karena adanya perbedaan suhu (T 1 T2), kalor mengalir dari sisi benda yang bersuhu tinggi menuju sisi benda yang bersuhu rendah (arah aliran kalor ke kanan). Benda yang dilewati kalor memiliki luas penampang (A) dan panjang ( ). Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan oleh ilmuwan, jumlah kalor yang mengalir selama selang waktu tertentu (Q/t) berbanding lurus dengan perbedaan suhu (T 1 – T2), luas penampang (A), sifat suatu benda (k = konduktivitas termal) dan berbanding terbalik dengan panjang benda. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :
=
(1.1)
Keterangan : Q
= Kalor (kilokalori (k) atau Joule (J) )
t
= Waktu (s)
Q/t
= Laju aliran kalor ( kilokalori per sekon (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt )
A
= Luas penampang benda (m 2)
T1 – T2
= Perbedaan suhu (K atau oC)
T1
= Temperatur tinggi (K atau oC)
T2
= Temperatur rendah (K atau oC)
= Jarak perpindahan panas / ketebalan benda(m)
Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan, laju kalor konduksi yang melalui sebuah dinding bergantung pada empat besaran: 1.
Beda suhu di antara kedua permukaan ; makin besar
beda suhu, makin cepat perpindahan kalor. 2.
Ketebalan benda ; makin tebal dinding, makin lambat perpindahan 21
kalor. 3.
Luas permukaan benda
4.
Konduktivitas termal zat ( ), merupakan ukuran kemampuan zat menghantarkan kalor; makin besar nilai , makin cepat perpindahan kalor.
5.
Selang waktu
Tabel 1. konduktivitas termal zat (W/mK)
Zat
Logam:
Zat
Bahan Isolator:
Alumunium
205
Gabus
0,04
Perunggu
109
Serat kaca ( fiberglass)
0,04
Tembaga
385
Bulu halus
0,02
Besi dan baja
50
Kapuk
0,03
Perak
406
Zat padat lain:
Gas:
Lemak tubuh
0,17
Hidrogen
0,13
Batu bata
0,6
Udara
0,024
Beton
0,8
Kaca
0,8
Es
1,6
Air
0,60
Kayu (pinus)
0,13
D. Suhu pada sambungan dua batang logam yang berbeda jenis Misalkan dua batang logam berbeda jenis dengan luas penampang sama, yang salah satu ujungnya dihubungkan. Suhu ujung bebas batang pertama T 1, sedang suhu ujung bebas batang kedua T 2 di mana T 1> T2, seperti ditunjukkan 22
pada gambar berikut. Bagaimana caranya menghitung suhu pada titik sambungan kedua logam?
T1
k1
K2
Arah aliran kalor
L1
T2
L2
Gambar 5. Aliran kalor pada sambungan dua batang logam Secara matematis, Prinsip sambungan dua batang logam adalah:
(1.2)
(1.3)
Keterangan : Q 1
= Kalor pada batang logam 1 (kilokalori (k) atau Joule (J) )
Q 2
= Kalor pada batang logam 1 (kilokalori (k) atau Joule (J) )
t
= Waktu (s)
Q/t
= Laju aliran kalor ( kilokalori per sekon (kkal/s) atau Joule/sekon (J/s). 1 J/s = 1 watt )
A
= Luas permukaan benda (m 2)
T1
= Suhu/Temperatur pada batang logam 1 (K atau oC)
T2
= Suhu/Temperatur pada batang logam 1 (K atau oC)
L1
= Panjang batang logam 1 (m)
L2
= Panjang batang logam 2 (m)
23
E. Aplikasi Pepindahan Kalor Konduksi Setrika Listrik
Prinsip kerja setrika listrik adalah mengubah energi listik menjadi energi panas. Bila seterika dihubungkan ke sumber tegangan listrik dan dihidupkan (ON), maka arus listrik mengalir melalui elemen pemanas, yaitu alas besi tebal. Dengan adanya arus listrik yang mengalir ini, alas besi tebal akan membangkitkan panas. Panas ini kemudian disalurkan secara konduksi pada permukaan dasar setrika.
Gambar 6. Proses penghantaran konduksi pada setrika Sumber: BSE Fisika Kelas X Contoh soal:
1. Besi panjangnya 4 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 2meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 600ºC dan suhu pada ujung kuningan 300ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan! Jawab:
Misalkan suhu pada titik sambungan = T. maka *(k . A . ∆T)/L+ besi = *(k . A . ∆T)/L+ kuningan
24
(k . A (600 - T)) / 4 = (3 k A (T - 300))/ 2 T= 2600/7= 480ºC
2.2.3
Rangkuman
1. Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. 2. Perpindahan kalor secara konduksi dapat terjadi dalam dua proses berikut: 1. Getaran partikel 2. Gerakan elektron bebas 3. Konduktor ialah zat atau bahan yang mudah menghantarkan kalor. Contoh zat yang tergolong konduktor: logam, seperti alumunium, baja, dan tembaga. 4. Isolator ialah zat atau bahan yang sukar menghantarkan kalor. Contoh zat yang tergolong isolator: kayu, plastik, busa, wol, kain, dan lain-lain. -
Secara matematis laju kalor konduksi bisa ditulis sebagai berikut :
2.2.4
=
Tugas 2
1. Sebutkan dua proses yang dapat menyebabkan perpindahan kalor secara konduksi! 2. Besaran-besaran fisis apa saja yang mempengaruhi laju kalor konduksi? 3. Carilah 1 alat yang menggunakan prinsip perpindahan kalor konduksi, selain yang terdapat dalam modul ini.
25
2.2.5
Tes Formatif 2
1. Apa yang dimaksud dengan konduksi 2. Apa perbedaan konduktor dan isolator? 3. Sebutkan contoh benda konduktor dan isolator! 4. Sebatang alumunium yang panjangnya 0,400 m dan diameternya 6,00 x 10
-3
m digunakan untuk mengaduk larutan gula air yang berusaha 108 oC. Jika ujung kain batang berada pada suhu ruang 28 oC, berapa kalor yang mengalir sepanjang batang dalam 5 menit? Konduktivitas termal alumunium 200 W/(Mk) 5. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!
26
2.3
Kegiatan Belajar 3
Konveksi 2.3.1
Tujuan Kegiatan Pembelajaran
1. Membedakan konveksi alami dengan konveksi buatan 2. Menyebutkan 3 contoh peristiwa konveksi dalam keseharian
3. Menyebutkan dua contoh perpindahan kalor konveksi alami dalam kehidupan sehari-hari 4. Menyebutkan dua contoh alat yang menggunakan prinsip perpindahan kalor konveksi paksa 5. Menyebutkan besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor konveksi 6. Memformulasikan hubungan laju kalor konveksi dengan besaran-besaran fisis yang mempengaruhinya 2.3.2 Uraian Materi
A. Pengertian Konveksi Cobalah dekatkan tangan kalian di atas bara api sejauh kira-kira 10 cm. Apa yang kalian rasakan? Tentunya tangan kalian akan merasa
panas,
bukan?
Bagaimana hal ini dapat terjadi? Gambar 7. Telapak tangan yang di dekatkan ke bara api. Sumber: www.google.co.id/gambar
Ketika udara yang dekat nyala bara api dipanasi, udara itu memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil . Udara hangat yang massa jenisnya lebih kecil 27
akan naik, dan tempatnya digantikan oleh udara dingin yang massa jenisnya lebih besar. Proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri dinamakan konveksi . Sesuai contoh di atas dapat disimpulkan bahwa konveksi adalah hantaran kalor yang disertai dengan perpindahan partikel perantaranya . Umumnya konveksi terjadi pada gas dan zat cair. Contoh dari peristiwa konveksi adalah seperti perpindahan kalor pada zat cair yang dipanaskan, ventilasi kamar, cerobong asap, pengaturan katub udara pada kompor, dan kipas angin. B. Jenis-jenis Konveksi Ada dua jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah dan konveksi paksa. 1. Konveksi alamiah Konveksi alamiah merupakan pergerakan fluida yang terjadi akibat perbedaan massa jenis. Bagian fluida yang menerima kalor/dipanasi memuai dan massa jenisnya menjadi lebih kecil, sehingga bergerak ke atas. Kemudian tempatnya akan digantikan oleh bagian fluida dingin yang jatuh ke bawah karena massa jenisnya lebih besar. Contoh peristiwa konveksi alamiah: Memasak air:
V2 V1
Gambar
8.
konveksi
pada
Proses saat
memasak air
28
Saat memasak air, ketika panci dipanaskan, volume molekul air bagian bawah yang terkena panas akan mengembang (V 1>V2) dan mengakibat massa jenisnya mengecil ( ). Hal tersebut mengakibatkan molekul air bagian bawah menjadi lebih ringan dan bergerak naik ke atas, sedangkan molekul air yang berada di bagian atas (massa jenisnya lebih besar) akan bergerak turun ke bawah menggantikan posisi molekul air sebelumnya. 2. Konveksi paksa Konveksi paksa adalah suatu proses pergerakan fluida yang langsung diarahkan tujuannya oleh sebuah pompa atau blower. Contoh peristiwa konveksi paksa: 1. Pertukaran udara pada Lemari es Udara dingin pada kompartemen pendingin bergerak ke bawah dan tempatnya digantikan oleh udara hangat yang naik dari bagian bawah dan didinginkan oleh pipa-pipa pendingin. Pergerakan udara ini dapat terjadi dengan adanya kompresor sebagai tenaga penggerak. Pergerakan udara ini menghasilkan suatu aliran konveksi udara yang akan mendinginkan semua makanan yang disimpan di lemari es.
Gambar 8. Sistem konveksi udara pada lemari es Sumber: www.google.co.id/gambar 29
2. Radiator mobil
Gambar 9. Radiator mobil Sumber: http://www.blogberbagi.com/2012/03/aplikasi-konduksi-konveks dan-radiasi.html
Pada sistem pendingin mesin mobil (radiator), air di paksa mengalir melalui pipa-pipa dengan batuan pompa air (water pump). Panas mesin yang tidak di kehendaki dibawa oleh sirkulasi air tersebut menuju radiator. Di dalam radiator, air di dinginkan dengan bantuan udara. Air yang telah mendingin ini kemudian di pompa untuk mengulang kembali proses transfer panas dari mesin mobil ke radiator. Jadi, dalam hal ini terjadi konveksi paksa. Ingat bahwa proses konveksi melibatkan fluida (dalam kasus ini di wakili oleh air) sebagai penghantar panas.
Air yang di gunakan dalam radiator lama-lama akan berkurang akibat penguapan dan akhirnya akan habis. Oleh karena itu, radiator perlu di isi air kembali untuk memastikan lancarnya proses pendinginan mesin selama mobil berjalan.
30
C. Besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor konveksi
Gambar 10. Rambatan Kalor di dalam fluida Apabila ada sebuah silinder yang diisi suatu fluida dan dua sisi yang berhadapan dari silinder suhunya berbeda, akan terjadi aliran kalor dari dinding yang bersuhu Ta ke dinding yang bersuhu Tb. Besarnya kalor yang merambat tiap satuan waktu, dapat dituliskan sebagai berikut.
(2.1)
Q
= kalor yang dipancarkan benda ( J)
t
= selang waktu yang diperlukan (s)
h
= koefisien konveksi termal ( . )
A
= luas penampang aliran ( )
ΔT
= perbedaan temperatur antara kedua tempat fluida mengalir (K) Besarnya koefisien konveksi termal dari suatu fluida bergantung pada bentuk dan kedudukan geometrik permukaan-permukaan bidang aliran serta bergantung pula pada sifat fluida perantaranya.
31
D. Peristiwa konveksi dalam keseharian
Peristiwa angin darat dan angin laut (Konveksi alami)
Tahukah anda apakah yang menyebabkan perahu nelayan hanya dapat berlayar ketika malam hari dan kembali ke daratan pada siang hari? Bukankah akan lebih mudah apabila kita mencari sesuatu ketika siang hari? Pertanyaan-pertanyaan tersebut merupakan pertanyaan yang sering terlupakan jawabannya. Padahal hal itu sudah umum dan terjadi setiap hari di kehidupan kita. Apabila pertanyaan itu kita tanyakan kepada nelayan, ia akan menjawab bahwa angin daratlah yang menyebabkan ia dapat pergi melaut dan angin lautlah yang menghantarkannya kembali ke daratan. Namun tahukah nelayan tersebut bahwa pada peristiwa angina darat dan angina laut tersebut telah terjadi konveksi yang menyebabkan perpindahan kalor? Tentu kebanyakan nelayan atau bahkan anda sekalipun tidak mengetahui hal tersebut. Untuk itu perhatikanlah gambar dan penjelasan berikut ini:
(a)
(b)
Gambar 11. Peristiwa angin laut pada siang hari. Sumber: BSE Fisika SMA Kelas X – Joko Sumarsono
32
Gambar a. Gambar tersebut adalah proses peristiwa angin laut. Kalor
jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Akibatnya ketika dipanaskan oleh cahaya matahari pada siang hari, kenaikan suhu daratan lebih besar daripada kenaikan suhu air laut. Hal ini menyebabkan daratan yang telah panas, memanaskan udara yang berada di atasnya sehingga suhu udara pun meningkat, sehingga massa jenis udara berkurang dan membuat udara tersebut bergerak ke atas. Posisi udara yang bergerak ke atas digantikan oleh udara yang berada di atas permukaan laut. Hal ini disebabkan karena massa jenis udara yang berada di atas permukaan laut lebih besar. Ketika bergerak ke darat, posisi udara tadi digantikan oleh udara lainnya yang berada tepat di atasnya. Sampai pada ketinggian tertentu, udara panas yang bergerak ke atas mengalami penurunan suhu. Diketahui bahwa ketika suhu udara menurun, volume udara juga berkurang. Berkurangnya volume udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Akibatnya, udara yang sudah mendingin tadi meluncur ke bawah untuk menggantikan posisi udara yang telah pergi dari permukaan laut . Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara, inilah yang diketahui oleh para nelayan sebagai angin laut . Di sebut angin laut karena udara yang berada di atas permukaan air laut melakukan pengungsian massal menuju daratan.
Gambar b. Gambar tersebut adalah proses peristiwa angina darat. Ketika
malam tiba, daratan lebih cepat dingin daripada air laut. Dengan kata lain, pada malam hari, suhu daratan lebih rendah daripada suhu air laut. Hal ini disebabkan karena kalor jenis daratan (zat padat) lebih kecil daripada kalor jenis air laut (zat cair). Walaupun jumlah kalor yang
33
dilepaskan oleh daratan dan air laut sama, tetapi karena kalor jenis daratan lebih kecil daripada kalor jenis air laut, maka penurunan suhu yang dialami oleh daratan lebih besar daripada air laut. Air laut yang memiliki suhu lebih tinggi menghangatkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas permukaan laut meningkat. Peningkatan suhu udara menyebabkan massa jenis udara berkurang sehingga udara bergerak ke atas. Daratan yang memiliki suhu lebih rendah mendinginkan udara yang berada di atasnya. Akibatnya suhu udara yang berada di atas daratan menurun. Penurunan suhu udara menyebabkan massa jenis udara bertambah. Hal ini menyebabkan udara yang berada di atas daratan meluncur ke laut. Sampai pada ketinggian tertentu, udara yang bergerak ke atas mendingin (suhunya menurun). Penurunan suhu menyebabkan massa jenis udara bertambah. hal ini menyebabkan udara tersebut meluncur ke bawah menggantikan posisi udara yang meluncur ke laut tadi. Proses ini terjadi terus menerus sehingga terbentuk arus konveksi udara. Hal ini lebih dikenal sebagai angin darat. Di sebut angin darat karena udara yang berada di daratan melakukan pengungsian massal menuju laut.
Contoh Soal:
Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,02 kal/ms°C memiliki luas penampang aliran 10 cm 2. Jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu 200°C ke dinding lainnya yang bersuhu 50°C, kedua dinding sejajar. Berapakah besarnya kalor yang dirambatkan?
34
Jawab: H = hA ΔT -3
-2
H = 0,02 kal/ms°C × (1 × 10 m2) × (200°C – 50°C) = 9 × 10 kal/s
Jadi, besarnya kalor yang merambat dalam fluida per satuan waktu adalah 9 × 10 -2 kal/s.
2.3.3 Rangkuman
-
Proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri dinamakan konveksi Ada dua jenis konveksi: konveksi alami dan konveksi paksa Secara matematis laju kalor konveksi dapat dituliskan sebagai berikut:
2.3.4
Tugas 3
1. Proses konveksi biasa terjadi pada zat? 2. Sebutkan besaran-besaran fisis yang mempengaruhi laju kalor konveksi? 3. Carilah 1 alat yang menggunakan konsep perpindahan kalor konveksi, selain yang terdapat dalam modul ini!
2.3.5
Tugas Formatif 3
1. Apa yang dimaksud dengan perpindahan kalor konveksi? 2. Apa perbedaan antara konveksi alami dan konveksi paksa? 3. Sebutkan 3 contoh alat yang menggunakan konsep perpindahan kalor konveksi!
35
4. Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,01 kal/ms°C memiliki luas penampang aliran 20 cm 2. Jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu 100°C ke dinding lainnya yang bersuhu 20°C, kedua dinding sejajar. Berapakah besarnya kalor yang dirambatkan? 5. Sebutkan satu contoh peristiwa konveksi dalam keseharian!
36
2.4 Kegiatan Belajar 4
Radiasi 2.4.1 Tujuan Pembelajaran
1. Membedakan benda yang baik dan buruk dalam menyerap dan memancarkan kalor radiasi 2. Menyebutkan besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor radiasi 3. Memformulasikan hubungan laju kalor radiasi dengan besaran fisis yang mempengaruhinya 4. Menyebutkan 2 contoh pemanfaatan kalor radiasi dalam kehidupan seharihari 2.4.2
Uraian Materi
A. Pengertian Radiasi
Gambar 12. Sinar Matahari sampai ke Bumi merupakan perpindahan kalor radiasi. Sumber: BSE SMA Kelas X – Joko Sumarsono
Bagaimanakah energi kalor dari Matahari dapat masuk melalui atmosfer Bumi dan menghangatkan Bumi? Kalor dari Matahari tidak dapat melalui atmosfer secara konduksi karena udara yang terdapat di atmosfer tergolong konduktor paling buruk. Kalor dari Matahari juga tidak dapat sampai masuk ke Bumi melalui konveksi karena konveksi selalu diawali dengan pemanasan Bumi terlebih dahulu. Selain itu, perpindahan kalor secara konduksi atau konveksi
37
tidak mungkin melalui ruang hampa yang terdapat di antara atmosfer Bumi dan
Matahari. Bagaimanakah proses perpindahan kalor dalam peristiwa ini? Kalor dari Matahari dapat sampai ke Bumi melalui ruang hampa tanpa zat perantara (medium). Perpindahan kalors eperti ini disebut radiasi . Perpindahan kalor dapat melalui ruang hampa Karena energi kalor dibawa dalam bentuk gelombang elektromagnetik . Jadi, radiasi atu pancaran adalah perpindahan
energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
B. Penyerap Kalor Radiasi yang Baik dan Buruk
Apa yang kamu rasakan ketika memakai baju hitam pada siang hari Dan apa yang kamu rasakan saat memakai baju berwarna putih dan berwarna terang? Tentunya Gambar 13. Pakaian hitam adalah penyerap kalor radiasi yang baik. Sumber: BSE SMA Kelas X – Joko
kamu akan merasa lebih panas memakai baju hitam pada siang hari, bukan?
Sumarsono
Hal ini karena di siang hari, baju hitam menyerap kalor radiasi lebih baik daripada baju putih dan berwarna terang. Di malam hari, baju hitam terasa lebih dingin daripada baju putih atau berwarna terang. Ini terjadi karena di malam hari, baju hitam memancarkan kalor radiasi lebih baik daripada baju putih dan berwarna terang.
38
Berdasarkan uraian di atas dapatlah kita simpulkan bahwa: 1. Permukaan yang hitam kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik pula; 2. Permukaan yang putih dan berwarna terang adalah penyerap kalor radiasi yang buruk sekaligus pemancar kalor yang buruk pula; 3. Jika diinginkan agar kalor yang merambat secara radiasi berkurang, permukaan (dinding) harus dilapisi suatu bahan agar mengkilap (missal dilapisi dengan perak).
C. Besaran-besaran fisis pada perpindahan kalor radiasi
Pada tahun 1879, Stefan-Boltzman mengungkapkan suatu hukum yang mengenai radiasi yang disebut sebagai Hukum Stefan-Boltzman, yang berbunyi: “Energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu ( Q/t ) sebanding dengan luas permukaan (A) dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak permukaan itu (T4).
Secara matematis ditulis:
Tidak semua benda dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna. Terdapat suatu besaran yang disebut emisivitas, yaitu suatu ukuran seberapa besar pemancaran radaisi kalor suatu benda dibandingkan dengan benda hitam sempurna. Nilai emisivitas terletak di antara 0 dan 1, untuk penyerap paling buruk, dan untuk penyerap paling baik.
39
Persamaan Stefan-Boltzman untuk setiap benda dapat ditulis sebagai:
Intensitas radiasi sebesar, R = e T4 Keterangan: Q = kalor yang dialirkan (J) t
= waktu (s)
A = luas permukaan benda (m 2) T
= suhu (K)
e = emisivitas benda (tanpa satuan) R = intensitas radiasi ( W/m 2)
D. Pemanfaatan Radiasi 1. Pendiangan rumah
Gambar 14. Kalor yang menghangatkan tubuh dan berasal dari pendiangan merupakan kalor radiasi. Sumber: www.google.co.id/gambar
40
Sebagian besar kalor pada pendiangan rumah akan naik ke atas cerobong asap karena dibawa oleh konveksi udara. Tubuh kita merasa hangat karena penjalaran kalor ke samping dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Dengan kata lain, tubuh kita merasa hangat karena penghantaran kalor secara radiasi (Gambar 14). 2. Rumah kaca Pernahkah kalian melihat tumbuhan yang berada pada sebuah rumah kaca? Bagaimana tumbuhan di dalamnya dapat tetap tumbuh dengan subur?
Gambar 15. Kalor radiasi pada rumah kaca Sumber: www.google.co.id/gambar
Ketika sinar Matahari mengenai kaca sebuah rumah kaca, cahaya tampak dapat menembus kaca, sedang ultraviolet dan inframerah dipantulkan kembali oleh kaca. Kalor radiasi cahaya tampak diserap oleh tanah dan tumbuhan di dalam rumah kaca sehingga tanah dan tumbuhan menjadi hangat. Tanah dan tumbuhan yang hangat dapat digolongkan sebagai sumber yang lebih dingin dibandingkan dengan Matahari yang suhunya 41
sangat tinggi. Tanah dan tumbuhan sebagai sumber kalor yang lebih dingin akan memancarkan kembali kalor yang diterimanya dalam bentuk radiasi inframerah. Energi kalor radiasi inframerah yang dipancarkan kembali ini tidak mampu menembus kaca. Sebagai hasilnya, energi kalor ini terperangkap di dalam rumah kaca, dan rumah kaca menjadi hangat. Suhu di dalam rumah kaca dapat tetap tinggi dibandingkan dengan suhu di luarnya. Keadaan ini membuat tumbuhan dapat tumbuh dengan subur. Contoh Soal:
Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,1 m 2 dan suhunya 37 ºC. Jika suhu sekelilingnya 97 ºC, hitunglah: a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam. Jawab:
Benda hitam, maka e = 1 T1 = 310 K T2 = 370 K = 5,672.10-8 watt/m2K4
a. R
= e ( T24 - T14)
= 1. 5,672.10-8 (3704 - 3104) = 536,57 watt/m2 b. R = Q/A.t Q = R. A. t Q = 536,57. 0,1. 3600 = 1931652 Joule 42
2.4.3
Rangkuman
-
Radiasi atu pancaran adalah perpindahan energi kalor dealam bentuk gelombang elektromagnetik. Permukaan yang hitam kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik pula.
-
Permukaan yang putih dan berwarna terang adalah penyerap kalor radiasi yang buruk sekaligus pemancar kalor yang buruk pula.
-
Secara matematis laju kalor radiasi dapat dituliskan sebagai berikut:
-
Dan untuk laju kalor radiasi pada setiap bahan:
2.4.4
Tugas 4
1. Pada perpindahan kalor radiasi, energi kalor dibawa oleh? 2. Bagaimana cara mengurangi laju kalor radiasi pada suatu benda? 3. Sebutkan besaran-besaran fisis pada laju kalor radiasi!
2.4.5
Tugas Formatif 4
1. Apa yang dimaksud dengan radiasi? 2. Apa perbedaan antara benda hitam dan putih dalam menyerap dan
memancarkan kalor radiasi? 2 3. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m dan suhunya 27 ºC. Jika
suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah:
43
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam. 4. Sebutkan satu contoh alat yang menggunakan konsep perpindahan kalor
radiasi!
44
BAB III EVALUASI A. Pilihlah satu jawaban yang benar !
1. Di bawah ini yang bukan termasuk 3 cara peprindahan kalor adalah… a. Konduksi
c. Konveksi
b. Pemuaian
d. Radiasi
2. Contoh benda yang termasuk konduktor adalah… a. Tisu, kertas, besi
c. Besi, baja, tembaga
b. Kain, wol, tembaga
d. Kayu, papan, benang
3. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi, berapakah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan?
a. 371,4ºC
c. 471,4ºC
b. 731,4ºC
d. 173,4ºC
4. Di bawah ini yang bukan contoh alat yang menerapkan konsep perpindahan kalor konveksi adalah…
a. Hair Dryer
c. Radiator mobil
b. Panci masak
d. Lemari es
5. Suatu fluida dengan koefisien konveksi termal 0,01 kal/ms°C memiliki luas penampang aliran 20 cm 2. Jika fluida tersebut mengalir dari dinding yang bersuhu 100°C ke dinding lainnya yang bersuhu 20°C, kedua dinding sejajar. Berapakah besarnya kalor yang dirambatkan? a. 160 × kal/s
c. 1,6 × kal/s
b. 16 × kal/s
d. 16 × kal/s
45
B. Isilah pertanyaan berikut dengan baik dan benar
1. Apa yang dimaksud dengan perpindahan kalor konduksi? 2. Sebatang alumunium yang panjangnya 0,400 m dan diameternya 6,00 x 10 -3 m digunakan untuk mengaduk larutan gula air yang berusaha 108 oC. Jika ujung kain batang berada pada suhu ruang 28 oC, berapa kalor yang mengalir sepanjang batang dalam 5 menit? Konduktivitas termal alumunium 200 W/(Mk) 3. Apa perbedaan antara konveksi alami dan konveksi paksa? 4. Apa perbedaan antara benda yang berwarna hitam dan putih dalam menyerap dan memancarkan kalor radiasi? 5. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m 2 dan suhunya 27 ºC. Jika suhu sekelilingnya 77 ºC, hitunglah: a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam
46
BAB IV PENUTUP
Setelah menyelesaikan modul ini, anda berhak untuk mengikuti tes praktik untuk menguji kompetensi yang telah anda pelajari. Apabila anda dinyatakan memenuhi syarat kelulusan dari hasil evaluasi dalam modul ini, maka anda berhak untuk melanjutkan ke topik/ modul berikutnya. Mintalah pada guru/instruktur untuk melakukan uji kompetensi dengan sistem penilaian yang dilakukan secara langsung oleh asosiasi profesi yang berkompeten apabila anda telah menyelesaikan suatu kompetensi tertentu. Atau apabila anda telah menyelesaikan seluruh evaluasi dari setiap modul, maka hasil yang berupa nilai dari guru/instruktur atau berupa portofolio dapat dijadikan sebagai bahan verifikasi oleh asosiasi profesi. Kemudian selanjutnya hasil tersebut dapat dijadikan sebagai penentu standarpemenuhan kompetensi tertentu dan bila memenuhi syarat anda berhak mendapatkan sertifikat kompetensi yang dikeluarkan oleh asosiasi profesi.
47
DAFTAR PUSTAKA
1. Aip, Saripudin. 2008. BSE Belajar Praktis Fisika Kelas X . Pusat Pebukuan Departemen Pendidikan Nasional: Jakarta. 2. Jewett, Serway. 2003. Fisika Untuk Sains dan Teknik . Salemba Teknika:Jakarta 3. Sumarsono, Joko. 2009. BSE Fisika. Pusat Pebukuan Departemen Pendidikan Nasional: Jakarta. 4. Kanginan, Marthen. 2007. Fisika Untuk SMA Kelas X . Penerbit Erlangga:Jakarta. 5. http://www.blogberbagi.com/2012/03/aplikasi-konduksi-konveks dan radiasi.html
48
KUNCI JAWABAN
Tugas 1
1. Perpindahan kalor terjadi dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah 2. Api unggun 3. Hal itu dikarenakan suhu telapak tanganmu lebih tinggi dibandingkan suhu bongkahan es, sehingga kalor berpindah dari telapak tanganmu ke bongkahan es tersebut.
Tes Formatif 1
1. Kalor berpindah dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. 2. Konduksi, Konveksi, dan Radiasi
Tugas 2
1. Getaran partikel dan gerakan electron-elektron bebas. 2. Beda suhu, ketebalan benda, luas permukaan, selang waktu dan konduktivitas termal. 3. Termos. Dinding kaca pada termos digunakan karena kaca sebagai konduktor yang jelek, tidak dapat memindahkan kalor secara konduksi
Tes Formatif 2
1. Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. 2. Konduktor ialah zat atau bahan yang mudah menghantarkan kalor.
49
Isolator ialah zat atau bahan yang sukar menghantarkan kalor. 3. Contoh zat yang tergolong konduktor: logam, seperti alumunium, baja, dan tembaga. Contoh zat yang tergolong isolator: kayu, plastik, busa, wol, kain, danlain-lain 4. 12 x 107 Joule 5. 371,4ºC
Tugas 3
1. Zat cair dan zat gas 2. Selang waktu, luas permukaan benda, koefisen konveksi termal, dan perbedaan suhu. 3. Hair dryer. Pada alat pengering rambut ( hair dryer), kipas angin menarik udara di sekitarnya dan meniupkannya kembali setelah di lewatkan pada elemen pemanas di dalamnya. Dengan proses ini di peroleh arus konveksi paksa udara panas.
Tes Formatif 3
1. Proses perpindahan kalor dari satu bagian fluida ke bagian lain fluida oleh pergerakan fluida itu sendiri dinamakan konveksi . 2. Konveksi alamiah merupakan pergerakan fluida yang terjadi akibat perbedaan massa jenis. Konveksi paksa adalah suatu proses pergerakan fluida yang langsung diarahkan tujuannya oleh sebuah pompa atau blower. 3. Lemari es, Radiator mobil, dan Hair dryer. 4. 16 × kal/s 50
5. Angin darat dan angin laut
Tugas 4
1. Gelombang elektromagnetik 2. Permukaan (dinding) benda harus dilapisi suatu bahan agar mengkilap (misal dilapisi
dengan perak). 3. Luas permukaan, selang waktu, perbedaan suhu, dan emisivitas benda.
Tes Formatif 4
1. Radiasi atu pancaran adalah perpindahan energi kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.
2. Permukaan yang hitam kusam adalah penyerap kalor radiasi yang baik sekaligus pemancar kalor radiasi yang baik pula. Permukaan yang putih dan berwarna terang adalah penyerap kalor radiasi yang buruk sekaligus pemancar kalor yang buruk pula. 3. a. 391,72 watt/m2 b. 705060 Joule 4. Microwave
51
