TARA KALOR MEKANIK
A. Tujuan Tujuan eksperimen ini adalah untuk menentukan nilai kesetaraan energi mekanik (joule) dengan panas (kalori).
B. Landasan Teori Panas adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lain karena perbedaan temperatur. Dalam abad ke 17, Galileo, Newton dan ilmuwan umumnya mendukung teori atom Yunani kuno, yang menganggap panas sebagai wujud gerakan molekuler. Pada abad berikutnya, metode-metode dikembangkan untuk melakukan pengukuran jumlah panas yang meninggalkan atau masuk sebuah benda secara kuantitatif. Telah ditemukan bahwa bila dua benda dalam kontak termis, maka jumlah panas yang meningglkan suatu benda sama dengan jumlah panas yang memasuki benda lainnya. Penemuan ini mengarah ke pengembangan teori yang menyatakan panas sebagai zat yang kekal. Suatu fluida tak tampak yang dinamakan ³caloric´ bersifat kekal, tidak dapat musnah, tetapi hanya mengalir dari satu benda ke benda lainnya. Kerja dan kalor dipikirkan sebagi dua konsep yang terpisah sampai Rumford (1798) menyarankan bahwa kalor mempunyai suatu aspek mekanis, dan dengan demikian dia mengusulkan suatu hubungan tersebut. Hubungan ini telah dihasilkan secara pasti di dalam abad ke 19 sebagai prinsip kekekalan tenaga dan harus ada suatu hubungan tertentu di antaranya yang dinamakan ekivalen mekanis dari kalor /tara kalor mekanik (mechanical equivalent of heat). Jumlah panas yang dibutuhkan untuk menikkan temperatur suatu zat adalah sebanding dengan massa massa zat dan perubahan temperaturnya. temperaturnya. (1.1) dengan C adalah kapasitas kapasitas panas zat, zat, yang didefinisikan sebagai panas yang dibutuhkan untuk menikkan temperatur suatu zat satu derajat. Panas jenis c adalah kapasitas panas persatuan massa. (1.2)
Jumlah panas dinyatakan dalam satuan kalori. Kalori didefinisikan sebagai jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu gram air satu celsius derajat. Kapasitas panas jenis zat ternyata merupakan fungsi temperatur, sehingga definisi kalor o
o
tersebut untuk perubahan temperatur air dari 14,5 C menjadi 15,5 C pada tekanan 1 atm. Konversi energi Energi bersifat kekal, dia dapat diubah (transfer) dari dari bentuk energi satu ke energi yang lain. Proses transfer energi umumnya dilakukan oleh alat/mesin yang khas. Dalam tinjauan ini mesin yang mengubah bentuk energi satu ke bentuk energi lain tersebut telah melakukan usaha. Besar usaha (pengertian umum) yang dilakukan oleh mesin sama dengan jumlah energi yang ditransfer. Pada umumnya transfer energi dari satu bentuk ke bentuk lain tidak hanya satu bentuk energi, contoh konversi energi listrik menjadi enegi mekanik oleh motor listrik, akan disertai bentuk energi lain yang tidak dikehendaki yaitu panas, bunyi, dan gelombang elektromagnetik. Dengan demikian usaha yang dilakukan mesin sama dengan jumlah energi yang ditransfer menjadi energi yang dikehendaki. Laju transfer energi oleh mesin disebut sebagai daya mesin, jadi (1.3) dengan P adalah daya, dan W: usaha (= besar transfer energi yang dikehendaki). Energi panas hampir selalu menyertai setiap ditransfer energi, dengan demikian kita dapat dengan mudah mentransfer setiap bentuk energi menjadi panas. Mesin yang mentransfer energi mekanik dapat kita gunakan untuk menentukan kesetaraan energi mekanik (joule) dengan energi panas (kalori). Mesin demikian telah digunakan Joule. Mesin Joule terdiri atas silinder yang diisi air, dilengkapi sudu-sudu pengaduk yang diputar oleh beban melalui sebuah katrol. Energi mekanik dari beban digunakan untuk memutar sudu-sudu, yang menyebabkan temperatur air meningkat. Jumlah energi mekanik dan jumlah kalor dapat ditentukan, sehingga nilai kesetaraannya-pun dapat ditentukan. Dengan pengukuran yang teliti nilai kesetaraan energi mekanik dan kalor akhirnya ditetapkan: 1 kalori = 4,186 joule. Usaha yang dilakukan gaya pada benda bergesekan berpindah sejauh dx adalah: dW = Fdx
(1.4) Gambar 1.1 Konversi energi mekanik menjadi kalor
Sebuah silinder dililit tali yang ujung-ujungnya digantungkan beban. Silinder diputar, sehingga antara tali dan silinder terdajadi gaya gesek. Jika silinder diputar, maka gaya gesek antara tali dan sinder = (gaya berat benda-gaya tarik neraca). Usaha yang dilakukan: W = (w-F). x. dengan x = panjang lintasan gesekan tali dengan silinder, sehingga: W =(m.g - F). n. 2 T r
(1.5)
Dengan n : jumlah putaran silinder, dan r = jari-jari silinder. Silinder yang diputar berulang kali menyebabkan silinder mengalami gesekan dengan tali, usaha tersebut terdesipasi terdesipasi menjadi panas. Panas Panas tersebut mengalir ke silinder, sebagian mengalir ke lingkungan dengan cara radiasi dan konveksi, besar daya radiasi: (1.6) Panas yang mengalir ke lingkungan ini merupakan kebocoran panas sistem.
C. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan pada eksperimen tara kalor mekanik ini adalah Unit eksperimen tara kalor mekanik yang terdiri atas: 1.
Silinder kuningan
2.
Tali /pita untuk menggantungkan beban pada silinder kuningan
3.
Beban sebagai pemberat
4.
Pemutar silinder dan counter untuk menghitung jumlah putaran
5.
Air
6.
Termometer digital
7.
Jangka sorong
8.
Neraca pegas
9.
Stopwatch
D. Prosedur kerja Adapun prosedur kerja eksperimen ini adalah sebagai berikut: 1.
Ukur diameter silinder
2.
Timbang massa silinder dalam keadaan kosong
3.
Isi silinder dengan air sampai penuh
4.
Timbang massa silinder berisi air, dan tenentukan massa air
5.
Rangkai alat seperti gambar 1.2
6.
Ukur temperatur silinder sebagai temperatur awal (T 0)
7.
Putar silinder 100 kali, ukur lama lama pemutaran, kemudian berhenti
8.
Ukur temperatur silinder sebagai (T 1)
9.
Putar silinder kembali 100 kali, kemudian berhenti
10.
Ukur temperatur silinder sebagai (T 2)
11.
Lakukan pengukuran ulang hingga jumlah putaran total 1000 kali.
12.
Hitung usaha yang dilakukan dan kalor yang dihasilkan (koreksi dengan radiasi panas).
13.
Buat grafik hubungan usaha dan kalor
14.
Tentukan gradien garis garis sebagai nilai kesetaraan usaha (joule) dengan kalori.
Gambar 1.2 Unit eksperimen tara kalor mekanik
E. Tugas 1.
Apakah fungsi air dalam silinder?
2.
Berikan komentar tentang keakuratan pengukuran tara kalor mekanik dengan teknik tersebut!
3.
Bagaimana hasil pengukuran jika permukaan silinder kasar dan bagaimana juga bila permukaannya licin?
4.
Faktor-faktor apa yang diabaikan pada eksperimen ini?
5.
Konstanta yang anda peroleh lebih besar atau lebih kecil dibanding dengan nilai konstanta yang ada dalam buku teks? Jelaskan!
6.
Apakah nilai konstanta bergantung pada frekuensi putaran? Jelaskan!
7.
Pada percobaan ini terjadi perubahan energi mekanik menjadi energi panas/kalor. Sebutkan alat yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik!
