KESETARAAN KALOR LISTRIK
PENDAHULUAN Berbicara tentang tenaga listrik, kita dapat membayangkan banyak hal disekitar kita, segala jenis alat-alat elektronik yang kita pakai atau yang kita gunakan dalam sehari-hari bersumber dari energi listrik. lis trik. Energi listrik telah menjadi kebutuhan manusia. Bahkan energi listrik telah menjadi kebutuhan utama manusia. Bilangan yang menyatakan besarnya tenaga listrik yang setara dengan 1 satuan tenaga panas dinamakan angka kesetaraan kalor listrik. Kesetaraan kalor listrik dapat diperoleh dengan mengubah tenaga listrik menjadi tenaga panas dalam suatu kawat tahanan yang tercelup dalam air yang berbeda di dalam kalorimeter. Berdasarkan latar belakang tersebut tentang kesetaraan kalor listrik diambil suatu rumusan masalah yaitu yaitu : “Bagaimana menejelaskan adanya hubungan tenaga listrik dengan panas? Dan bagaimana menentukan angka kesetaran kesetaran Joule dengan Kalori?” II.
KAJIAN TEORI Bilangan yang menyatakan besarnya tenaga listrikl yang setara dengan 1 satuan tenaga panas dinamakan angka kesetaraan kalor listrik. Kesetaraan kalor listrik yang diperoleh mengubah tenaga listrik menjadi tenaga panas dalam suatu kawat tahanan yang tercelup dalam air yang berbeda didalam kalorimeter, tenaga listrik yang hilang dalam tahanan besarnya : (1) W = V I t Dengan v = beda potensial antara ujung-ujung kawat dalam volt, I = kuat arus dalam ampere, t = lamanya mengalirkan arus dalam detik. Tenaga listrik sebesar V I t Joule ini adalah tenaga mekanik yang hilang dari electron-elektron yang bergerak dari ujung kawat berpotensial rendah keujung kawat berpontesial tinggi. Tenaga ini selanjutnya berubah menjadi tenaga panas. Jika tidak ada panas yang keluar dari kalorimeter maka panas yang timbul sebesar : (2) Q = (m+H) (t -t ) 2 2 1 1 Dengan m = massa air, H = kapasitas kalor kalorimeter beserta pemanas dan pengaduknya, t1 dan t2 = suhu awal dan suhu akhir. Panas yang keluar dari kalorimeter dapat sangat berkurang dan dapat diabaikan jika selisih antar suhu akhir dan suhu ruang sama dengan selisih antara suhu ruang dengan suhu awal. Besarnya angka kesetaraan kalor listrik adalah : Joule/ Kalori (3) a = W/Q W/Q = (V I t) / I(m+H )(t -t ) 2 1 1 arus listrik adalah gerakan atau aliran muatan listrik. Gerakan atau aliran muatan listrik terjadi pada bahan yang disebut konduktor (bahan pengantar arus listrik, contoh : besi, tembaga dan lain-lain). Arah arus listrik sesuai dengan arah aliran muatan pasif, atau berlawanan arah dengan arah aliran muatan negative. Arah kuat arus listrik adalah besar muatan yang mengalir pada suatu konduktor tiap satuan waktu. Rumus kuat arus listrik adalah : (4) I = q/t q/t Pada hukum ohm dapat diketahui bahwa tegangan listrik (v) berbanding lurus dengan kuat arus dan hambatan (R). ( R). hukum ohm dirumuskan dengan : (5) V= I R Daya listrik dirumuskan : 2 2 (6) P = V I = V /R = I R
Sedangkan, energi listrik adalah daya listrik dikali waktu. (7)
W=Pt
Keterangan : P = Daya listrik (watt) W = Energi listrik (Joule) t = Waktu (sekon) konduksi adalah perpindahan kalor melalui zat perantara tanpa disertai perpindahan zat perantaranya. Contoh : besi yang yang dipanaskan disalah satu ujungnya maka ujung besi lainnnya akan terasa panas (terjadi perambatan kalor). Rumus : P = (k A) ΔT/L (8) (Sandy.2012: 143-278) Arus listrik yang disebabkan oleh aliran muatan-muatan listrik dapat mengasilkan energi yang bermanfaat bagi manusia. Dalam hal ini, energi yang dihasilkan dari energi muatan listrik dalam suatu rangkaian listrik tertutup disebut dengan energi listrik. Energi listrik dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: (9) W=Q V Dengan: W= energi listrik (joule) Q= muatan listrik (c) V= beda potensial / tegangan (Volt) Karena Q=I dan V=IR, maka W=VIT 2
W= I R 2
W=(V /R)
(10) (11)
Dengan : I= arus listrik (A) R= hambatan listrik (Ω) t= waktu (s) Besarnya energi listrik yang digunakan oleh suatu peralatan listrik tiap satuan waktu disebut daya listrik yang dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: (12) P=W/T Dengan: P= daya listrik (watt) Berdasarkan persamaan energi listik, maka daya listrik juga dapat di tentukan dengan persamaan sebagai berikut: 2
2
P=V I =I R= V /R
Dalam kehidupan sehari-hari kita sering menemukan peralatan listrik yang mempunyai spesifikasi daya tertentu, seperti pada lampu tertera 25 W, 220 V, ini berarti daya listrik yang digunakan oleh lampu adalah 25 W jika lampu di pasang pada tegangan 220 Volt. Akan tetapi jika lampu dipasang pada tegangan yang lebih kecil dari spesifikasi lampu, maka gaya yang di gunakan lampu juga lebih kecil dari gaya yang tertera pada lampu dan memenuhi persamaan berikut ini: 2
P =(V /V 2 2 ) 1 . P 1
Dengan :
(13)
P2= daya yang digunakan oleh alat (W) P1= daya spesifikasi alat (W) V2= tegangan yang digunakan (V) V1= tegangan spesifikasi alat (V) (Sunardi.2007: 406-408)
Tara kalori listrik adalah perbandingan antara energi listrik yang diberikan terhadap panas yang dihasilkan. (Joule/kalori) (14) J=W/H Teori yang mendasari tentang tara kalori listrik: Hukum Joule dan Asas 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 juga energi listrik dapat juga diubah menjadi energi panas atau sebaliknya. Sehingga dikenal adannya kesetaraan antara panas dengan energi mekanik atau listrik, secara kuantitatif hal ini di nyatakan dengan angka kesetaraan panas-energi listrik atau mekanik. Kesetaraan panas-energi mekanik pertama kali di ukur oleh joule dengan mengambil energi mekanik benda jatuh untuk mengaduk air dalam kalorimeter sehingga air menjadi panas. Energi listik 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 besarnya: W=V I T [j oule]
Dimana : V= beda potensial antara kedua ujung kawat tahanan (Volt) I= kuat arus listrik (Ampere) t= lamanya mengalir arus listrik (detik) Energi listik sebesar VIT joule ini merupakan energi mekanik yang hilang dari energi mekanik-mekanik yang hilang dari electron-elektron yang bergerak dari ujung kawat berpotensial rendah ke ujung berpotensial tinggi. Energi ini berubah menjadi panas. Jika tidak ada panas yang keluar dari kalori meter maka panas yang di timbulkan besarnya adalah: H=(M+N )(T -T ) [kal or i ] a a m
Dimana : M= massa zat cair Na= nilai air kalorimeter (kal/g°C) Ta= suhu akhir air Tm= suhu mula-mula air Kalor jenis suatu benda di definisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 Kg suatu zat sebasar 1 Kal. Kalor jenis ini merupakan sifat khas suatu benda yang menunjukan kemampuannya untuk menyerap kalor, pada perubahan suhu yang sama. Kalor jenis secara fisis berarti jumlah energi yang di butuhkan tiap satuan massa zat agar temperaturnya berubah. Dengan kata lain jumlah kalor Q yang di butuhkan suatu benda lain berbeda satu sama lain. Data kalor jenis beberapa zat : Nama Zat C (kal/gr°C) KJ/Kg K Air 1.000 4.180 Perak 0.056 0.232 Alcohol 0.550 2.299 Aluminium 0.217 0.907 Besi 0.113 0.472 Seng 0.0925 0.387
Tembaga
0.093
0.386
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”(nilainya sama), maka nilai W yang masih dalam joule, harus di ubah kedalam kalori, dimana nilai energi : 1kal= 4.186 Joule. Nilai “4.186” dikenal de ngan nama “tara kalor mekanik”. Pada rumusnya yang telah di tuliskan: Q=a W. Konstan “a” adalah factor yang mengali untuk mengubah satuan W (Joule) menjadi dalam satuan kalori, agar kedua ruas mempunyai satuan yang sama. Jadi : a= 1/ (4.186) = 0.287 inilah “ tara kalor listrik” Artinya : 1 Joule = 0.239 kal Jika ternyata kalor (Q) sudah dalam stuan joule, maka tidak perlu lagi memakai “nilai kesetaraan” tersebut. Jadi boleh langsung kita tulis : Q= W ( kedua ruas sudah dalam saatuan joule ). (Http://www.google.com, diakses 9 nov 2012)
Konduksi yaitu perpindahan kalor yang tidak di sertai dengan perpindahan partikel zat pengantarnya. H = Q/T = (K A) ΔT/L Konveksi adalah perpindahan kalor yang tidak di sertai dengan perpindahan partikel partikel zat. H = Q/t = h A ΔT Radiasi yaitu perpindahan kalor dengan cara benda memancarkan panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. 4
W = Ϭ A T
4
Q/t = Ϭ A T
(Rinawan. 2001: 13)
Perpindahan tenaga yang timbul karena perbedaan temperature diantara bagian-bagian yang berdekatan dari sebuah benda di namakan hantar kalor (heat konductor). Sebuah zat yang mempunyai konduktivitas termal k yang kecil adalah pengahantar kalor yang jelek atau sebuah isolator yang baik. Nilai dari k tergantung pada temperature yang bertambah besar sedikit dengan temperature yang semakin bertambah, tetapi k secara praktis dapat di ambil sebagai konstanta di seluruh zat jika perbedaan temperature di beberapa bagian-bagian zat tersebut tidak terlalu besar. ( Halliday.1997: 729 )
III.
METODE PERCOBAAN
A. Alat dan Bahan
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Kalorimeter dengan elemen panas Voltmeter DC Amperemeter DC Thermometer Tahanan geser Saklar Stopwatch Sumber (ACCU) Air murni
1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah
B. Rumusan Hipotesis “semakin besar massa air yang di gunakan maka nilai waktu yang digunakan akan semakin besar juga.”
C. Identifikasi Variabel Variable Manipulasi
: Massa (m)
Variabel Kontrol
: Kuat arus listrik (I), Tegangan, dan Suhu awal
Variabel Respon
:
Waktu (t)
D. Definisi operasional variable
DOV Manipulasi
DOV Kontrol
DOV Respon
: mengubah ubah massa air dari (90,80 ± 0.05 )gr, (120.20 ± 0.05 ) gr, sampai ( 106.10 ± 0.05 ) gr : selama percobaan menggunakan arus listrik yang Sama, sebesar 1 A tegangan yang sama sebesar 1 Volt,suhu awal yang sam sebesar 30 °, suhu akhir yang sama sebesar 32 °C, dan menggunakan kalorimeter yang sama yaitu kalorimeter aluminium. : menghitung banyaknya waktu yang digunakan menaikan suhu sebesar 2 °C
E. Langkah Percobaan
Pertama-tama memasang peralatan seperti gambar 1 ( tidak di tutup saklarnya sebelum diperiksa pembimbing ), setelah di periksa saklar menutupnya dan mengatur tahanan geser sehinggaarusnya 1 ampere. Lalu menunjuk arus dan tegangan pada kondisi tersebut. Setelah itu menimbang kalorimeter kosong (bejana dalam ) kemudian mengisinya dengan air murni secukupnya ( tidak terlalu banyak asal elemen pemanasnya tertutup ) kemudian menimbangnya. Kemudian dihitung massa air = M kalorimeter +air – Mkalorimeter .Kemudian memasang kalorimeter kemudian mencatat suhunya sebagai suhu awal.Lalu menutup saklar dan saat bersamaan menyalakan stopwatch kemudian mencatat waktu yang diperlukan untuk menaikan suhu ( suhun akhir dibuat lebih tinggi ± 2 °C dari suhu awal. Selama pengamatan mengaduk air dalam kalorimeter secara pelan pelan.membuka saklar dan bersamaan dengan itu pula mematikan stopwatch setelah memperoleh suhu yang di kehendaki dan mencatatnya sebagai suhu akhir. Mencatat pula waktu yang diperlukan untuk mencapai suhu tersebut.Setelah itu mengulang langkah percobaan tersebut beberapakali dengan massa air yang berbeda ( minimal 3 kali )
