Energi Panas (Kalor) dan Perpindahannya

A.  Energi Panas

Di bab terdahulu sudah diuraikan berbagai bentuk energi, salah satunya adalah energi panas. Jika benda-benda seperti benda padat, cair dan gas diberikan energi panas, maka suhunya akan meningkat. Energi panas adalah energi ini muncul saat terjadinya perubahan suhu benda, dan menjalar dari bagian yang panas ke bagian yang dingin.

Energi ini dapat dideteksi dengan indera peraba dan thermometer Energi panas dapat menyebabkan benda padat, cair dan gas memuai. Ka1or mengalir dengan sendirinya dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Akan tetapi, gaya dorong untuk a1iran ini ada1ah perbedaan suhu. Bila sesuatu benda ingin dipanaskan, maka harus dimi1iki sesuatu benda lain yang lebih panas, demikian pula ha1nya jika ingin mendinginkan sesuatu, diperlukan benda lain yang lebih dingin.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak musnah yaitu seperti hukum asas yang lain, contohnya hukum kekekalan masa dan momentum, ini artinya kalor tidak hilang. Energi hanya berubah bentuk dari bentuk yang pertama ke bentuk yang ke dua.

Bila diperhatikan misalnya jumlah energi kalor api unggun kayu yang ditumpukkan, semua ini .menyimpan sejum1ah energi dalam yang ditandai dengan kuantitas yang lazim disebut muatan kalor bahan. Apabila api dinyalakan, energi terma yang tersimpan di dalam bahan tadi akan bertukar menjadi energi kalor yang dapat kita rasakan.

Energi kalor ini mengalir jika terdapat suatu perbedaan suhu. Bila diperhatikan sebatang logam yang dicelupkan ke dalam suatu tangki yang berisi air kalor. Karena suhu awal logam ialah T1 dan suhu air ialah T2, dengan T2 >> T1, maka logam dikatakan lebih dingin daripada air. Ha1 yang penting dalam sistem yang terdiri dari air dan logam ialah adanya suatu perbedaan suhu yang nyata yaitu (T2- T1).

1. Pemuaian Benda Padat

Sebagian besar benda biasanya akan memuai ketika kepanasan atau menyusut jika kedinginan. Atap seng bisa rebut-ribut di siang hari yang panas karena adanya pemuaian. Jika kepanasan, rel kereta api juga bisa memuai. Karenanya sambungan rel harus ada celahnya. Jika tidak ada celah, kemungkinan besar rel (biasanya terbuat dari besi/baja) bisa bengkok apabila rel tersebut memuai. Demikian juga besi atau baja pada jembatan. Botol air yang penuh terisi air dan tertutup rapat juga bisa hancur lebur kalau botol tersebut dipanaskan. Masih banyak contoh lain.

Pada benda padat, misalnya sebatang logam, jika diberikan pemanasan pada suhu tertentu ternyata panjangnya akan bertambah. Hal ini disebut sebagai pemuaian panjang. Contohnya pemuaian pada rel kereta api. Rel kereta api akan bertambah panjang jika terkena panas matahari. Oleh karena itu, antara sambungan rel kereta api perlu dibuat renggang atau celah. Jika tidak diberikan celah, rel kereta api akan melengkung dan jalan kereta api akan terganggu.

Begitu juga untuk kaca jendela, pemasangan kaca jendela perlu diberi celah, sehingga saat kaca tersebut memuai kaca tidak akan pecah. Besarnya pemuaian sangat bergantung pada sifat benda tersebut. Walaupun panas yang dirasakan sama, pemuaian yang dialami setiap benda berbeda-beda.

Pada umumnya, pemuaian benda bisa dikelompokkan menjadi 2 jenis, yakni pemuaian panjang dan pemuaian volume.

·         Pemuaian Panjang

Jika terjadi perubahan suhu, kebanyakan benda padat biasanya mengalami pemuaian panjang. Pemuaian panjang di sini bisa berarti panjang benda bertambah atau panjang benda berkurang. Biasanya panjang benda bertambah ketika suhu meningkat, sebaliknya panjang benda berkurang (benda memendek) ketika suhu menurun. Setiap benda padat, apapun itu pasti mengalami pemuaian panjang, meskipun tidak semua bagian benda itu mengalami pemuaian panjang.

Contoh: misalnya kita tinjau sebuah mobil yang sedang diparkir di pinggir jalan. Ketika mobil kepanasan, lempeng besi bisa bertambah tebal atau panjang sisinya bisa bertambah walaupun sangat kecil. Atap rumah yang terbuat dari seng juga bisa mengalami pemuaian panjang. Dalam hal ini, ketika seng kepanasan, tepi seng bisa bertambah lebar. Seng juga bisa bertambah tebal. Hal yang sama juga terjadi pada rel kereta api dan besi/baja pada jembatan.

Karena kebanyakan benda padat bisa memuai ketika terjadi perubahan suhu, maka kita juga perlu tahu bagaimana pengaruh perubahan suhu terhadap besarnya pemuaian. Hal ini sangat membantu kita dalam merancang suatu peralatan, bangunan, kendaraan dll. Contohnya celah pada rel kereta api. Biasanya rel kereta api dibuat dari besi/baja.

Para insinyur sudah memperhitungkan lebar celah antara setiap rel. Pada siang hari yang panas, rel akan memuai sejauh sekian centimeter ketika digesek-gesek oleh kereta api, rel pasti kepanasan juga. Besarnya pemuaian rel kira-kira berapa? Pada malam hari yang dingin, rel mengerut sejauh berapa centimeter. Berdasarkan hasil perhitungan tersebut, para insinyur memutuskan kira-kira panjang celah antara rel berapa, sehingga kalau kepanasan, rel tidak saling bersentuhan. 

Pertambahan panjang suatu zat dapat secara matematis dapat dituliskan:

Keterangan:

= pertambahan panjang, dalam satuan meter

= panjang mula-mula, dalam satuan meter

= koefisien muai panjang, dalam satuan /°C

= perubahan suhu, dalam satuan °C

Pertambahan panjang setiap zat berbeda-beda bergantung pada koefisien zat. Pertambahan panjang zat padat untuk kenaikan 1°C pada zat sepanjang 1 m disebut koefisien muai panjang ().

 Tabel 1. Koefisien muai panjang beberapa zat padat

·         Pemuaian Luas

Pada logam yang berbentuk lempengan tipis (berupa segiempat, segitiga, atau lingkaran, ukuran volume dapat diabaikan. Ketika lempengan tersebut mendapat pemanasan, maka dapat diamati hanya pemuaian luasnya saja. Dengan kata lain, zat padat tersebut mengalami muai luas.

Muai luas dapat diamati pada kaca jendela, pada saat suhu udara panas, dan suhu kaca menjadi naik sehingga terjadi pemuaian, maka kaca memuai lebih besar daripada pemuaian bingkainya, akibatnya kaca terlihat terpasang sangat rapat pada bingkai. Benda yang mengalami muai luas akan menjadi lebih besar dari pada semula.

Pemuaian yang terjadi pada sebuah benda padat jika ketebalannya jauh lebih kecil dibandingkan panjang dan lebarnya, maka yang terjadi adalah muai luas.

            Pertambahan luas suatu zat bila dipanaskan akan:

  1. Berbanding lurus dengan luas mula-mula

  2. Berbanding lurus dengan perubahan suhu

  3. Bergantung dari jenis zat

            Pertambahan luas yang terjadi apabila benda menerima panas, secara matematis dapat dituliskan:

Keterangan:

= pertambahan luas, dalam satuan meter persegi (m²)

= luas mula-mula, dalam satuan meter persegi (m²)

= 2.= koefisien muai luas, dalam satuan /°C

= perubahan suhu, dalam satuan °C

·         Pemuaian Volume

Pemuaian volume dialami oleh semua benda/zat, baik padat, cair maupun gas. Pertambahan volume suatu zat yang dipanaskan, secara fisis:

1. Berbanding lurus dengan volume mula-mula zat

2. Berbanding lurus dengan perubahan suhu zat

3. Bergantung dari jenis bahan

            Pertambahan volume zat yang terjadi akibat panas, secara matematis dapat dituliskan:

Keterangan:

= pertambahan volume, dalam satuan m³

= volume mula-mula, dalam satuan m³

= 3.= koefisien muai volume, dalam satuan /°C

= perubahan suhu, dalam satuan °C

2.   Pemuaian Benda Cair

Benda cair apabila dipanaskan akan memuai. Misalnya air raksa. Air raksa dalam sebuah termometer akan memuai jika termometer terkena panas. Pemuaian ini dapat dilihat dengan naiknya air raksa dalam tabung kapiler termometer. Pada zat cair hanya dikenal ukuran volume, karena itu pada zat cair hanya dikenal muai volume.

Makin tinggi kenaikan suhu, makin besar penambahan volume zat cair. Pemuaian zat cair yang satu dengan yang lain umumnya berbeda, meskipun volume zat cair mula-mula sama. Untuk seluruh zat cair pemuaian makin besar jika kenaikan suhu bertambah besar.

Pemuaian zat cair dapat dimanfaatkan dalam penggunaan termometer zat cair, biasanya zat cair yang digunakan adalah raksa atau alkohol. Sifat naik atau turunnya zat cair dalam pipa kapiler sebagai akibat pemuaian zat cair inilah yang digunakan untuk mengukur suhu. Permukaan zat cair naik sepanjang pipa kapiler dan berhenti pada posisi tertentu yang sesuai dengan suhu benda. Suhu yang terukur dinyatakan oleh skala yang berimpit dengan permukaan zat cair pada pipa kapiler tersebut.

            Pemuaian yang terjadi pada zat cair adalah muai volume. Air yang keluar dari bejana merupakan indikasi perbedaan pemuaian yang berbeda antara zat padat dan zat cair. Air yang tertumpah dari bejana menandakan pemuaian zat cair yang lebih besar dari muai zat padat, dalam hal ini adalah bejananya.

Pemuaian juga terjadi pada air. Akan tetapi air akan memuai jika dipanaskan lebih dari 4°C. Hal ini karena adanya sifat anomali air. Jika air dipanaskan pada suhu 0°C sampai 4°C air akan menyusut. Tetapi, jika dipanaskan pada suhu di atas 4°C air akan memuai. Akibat anomali air ini, massa jenis air berbeda-beda. Maka pada suhu 4°C massa jenis air adalah yang paling berat.

Prinsip kerja termometer zat cair menggunakan prinsip dasar pemuaian zat cair. Naiknya permukaan raksa mengindikasikan adanya pemuaian, semakin besar panas yang diterima semakin besar pula tingkat kenaikan raksa.

Selain termometer zat cair terdapat termometer lain yaitu termometer digital. Keuntungan dari termometer digital adalah hasil pengukuran lebih akurat dan langsung dapat dilihat, tetapi termometer digital memiliki kekurangan yaitu memerlukan baterai sebagai sumber energi.

                        Di bawah ini adalah tabel koefisien muai volume beberapa zat cair.

Tabel 2. Koefisien Muai Volume Zat Cair

Di daerah dingin ikan tetap hidup walaupun permukaan air telah membeku menjadi es (suhu 0°C). Hal ini karena di dasar danau air tetap cair (pada suhu 4°C), peristiwa ini karena adanya anomali air.

Hampir semua zat akan memuai jika dipanaskan dan menyusut jika didinginkan. Tetapi, air memiliki sedikit pengecualian. Jika suhu diturunkan, memang volume air akan makin kecil seperli lainnya. Namun pada suatu ketika volume air justru membesar meskipun suhunya tetap diturunkan. Jadi ada suhu dimana air memiliki volume paling kecil. Jika pada suhu tersebut air dipanaskan, volumenya akan bertambah besar, jika pada suhu tersebut air didinginkan, volumenya akan membesar. 

Sifat air yang demikian disebut anomali air. Pada tekanan 1 atm, volume terkecil yang dimiliki air pada suhu 4°C . Dengan demikian, volume es lebih besar daripada volume air pada suhu 4°C . Karena volumenya paling kecil maka, massa jenis yang terbesar terjadi saat suhu 4°C.  

Ketika danau di daerah yang bersuhu dingin membeku, es yang terbentuk akan mengapung di atas permukaan air. Hal ini terjadi karena massa jenis es lebih kecil daripada air yang bersuhu 1°C sampai 4°C.

Itulah sebabnya permukaan danau sudah menjadi es, namun di dasarnya masih menjadi air. Begitu juga bila kita membuat es batu dengan menggunakan pendingin (refrigerator) , volume air sebelum menjadi es akan jauh lebih kecil dibandingkan setelah seluruh air telah berubah menjadi es.

3.   Pemuaian Gas

Gas yang dipanaskan juga akan memuai. Misalkan udara dalarn ban mobil. Pada siang hari udara dalam ban mobil akan memuai jika terkena panas. Oleh karena itu, ban mobil tidak boleh dipompa terlalu keras. Karena jika dipompa terlalu keras, udara di dalam ban akan mendesak kulit ban, akibatnya kulit ban akan pecah.

Gas mengalami pemuaian ketika suhunya bertambah dan mengalami penyusutan jika suhunya turun. Pada gas tidak dikenal muai panjang dan muai luas, yang ada hanyalah muai volume gas. Dari penelitian yang dilakukan menunjukkan bahwa koefisien muai volume semua gas sama yaitu 0,00367 /K.

Balon udara merupakan salah satu contoh penerapan muai gas

Perumusan muai volume pada tekanan tetap dapat dituliskan:

Keterangan:

V₂= volume gas pada suhu akhir, dalam satuan m³

V₁= volume gas pada suhu awal, dalam satuan m³

= kenaikan suhu, dalam satuan K

= koefisien muai gas == 0,00367/K

B.  Perpindahan Energi Panas

Jika kita menjemur pakaian yang basah pada terik matahari, pakaian akan cepat menjadi kering. Hal ini karena energy panas matahari mempercepat penguapan air yang terdapat padapakaian basah. Panas atau kotor akan berpindah dari suhu tinggi ke suhu rendah. Perpindahan panas dapat terjadi dengan tiga cara, yaitu konveksi, konduksi, dan radiasi.

1.      Konveksi (Aliran)

Konveksi adalah perpindahan panas melalui zat yang disertai perpindahan partikel zat itu. Benda cair dan gas merupakan zat perantara perpindahan panas secara konveksi. Bagian bagian dari zat atau benda perantara turut berpindah. Beberapa peristiwa yang menunjukan perpindahan panas secara konveksi: terjadinya angin darat dan angin laut.

            Pada peristiwa konveksi, bagian zat yang panas akan memuai sehingga menjadi kurang padat. Bagian yang kurang padat tadi akan bergerak ke atas digantikan dengan bagian yang dingin (bagian yang padat). Proses tersebut terus berlangsung.

Gambar: proses terjadinya angin laut

Gambar: proses terjadinya angin darat.

            Angin darat terjadi pada malam hari daratan lebih cepat menjadi dingin daripada laut. Karena laut lebih panas maka udara di laut bergerak ke atas dan ketempatnya digantikan oleh udara dingin dari daratan. Proses ini terus menerus berlangsung, akibatnya akan terjadi gerakan udara  (angin) dari daratan ke lautan. Oleh sebab itu nelayan berlayar mencari ikan pada malam hari dengan memanfaatkan angin darat.

            Angin laut terjadi pada siang hari. Pada siang hari daratan lebih cepat panas daripada laut. Karena udara di daratan lebih panas maka udara di daratan bergerak ke atas dan tempatnya digantikan oleh udara dingin dari laut. Proses ini berlangsung terus menerus, akibatnya terjadi gerakan udara (angin) dari lautan ke daratan. Nelayan memanfaatkan angin laut untuk kembali ke daratan atau pulang berlayar.

            Ketika memanaskan air juga terjadi arus konveksi. Air di dasar gelas mengalami pemanasan lebih dahulu. Karena apanas., air di dasar gelas mengalami pemanasan lebih dahulu. Karena panas, air di dasar gelas memuai dan menjadi ringan. Air yang menjadi ringan itu naik dan tempatnya digantikan oleh air di atasnya yang lebih dingin. Arus konveksi ini menyebabkan setiap bagian air dapat menerima panas.

2. Konduksi (Hantaran)

Konduksi adalah perpindahan panas melalui suatu zat tanpa disertai perpindahan partikel zat tersebut. Pada peristiwa konduksi, panas berpindah melalui benda tanpa memindahkan bagian-bagin benda itu.

Perpindahan panas secara konduksi terjadi pada sebatang besi, baja, atau logam yang lain. Logam adalah benda padat yang dapat menghantarkan panas dengan baik. Berdasarkan daya hantar kalor, benda dibedakan menjadi dua, yaitu:

1) Konduktor: adalah zat yang memiliki daya hantar kalor baik. Contoh : besi, baja, tembaga, aluminium, dll

2) Isolator: adalah zat yang memiliki daya hantar kalor kurang baik. Contoh : kayu, plastik, kertas, kaca, air, dll

Dalam kehidupan sehari-hari, dapat kamu jumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya memanfaatkan konsep perpindahan kalor secara konduksi, antara lain : setrika listrik, solder. Mengapa alat-alat rumah tangga seperti setrika, solder, panci, wajan terdapat pegangan dari bahan isolator? Hal ini bertujuan untuk menghambat konduksi panas supaya tidak sampai ke tangan kita.

Jika kita mencampur dua buah zat yang berbeda suhu yang sama atau setimbang. Hal ini disebabkan oleh banyaknya kalor yang dilepas oleh benda yang lebih tinggi suhunya sama dengan kalor yang diterima oleh benda yang lebih rendah suhunya. Hal ini disebut asas black.

3. Radiasi

Di luar atmosfer bumi tidak ada udara atau hampa udara. Bagaimana panas matahari dapat sampai ke bumi? Panas matahari sampai ke bumi tanpa zat perantara/medium. Matahari memindahkan panasnya ke bumi dengan cara pancaran.

Matahari memiliki suhu lebih tinggi (sekitar 6000 K), sedangkan bumi memiliki suhu yang lebih rendah. Karena terdapat perbedaan suhu antara matahari dan bumi, maka secara otomatis kalor mengungsi dari matahari (suhu lebih tinggi) menuju bumi (suhu lebih rendah). Seandainya perpindahan kalor dari matahari menuju bumi memerlukan perantara alias medium, maka kalor tidak mungkin tiba di bumi. Persoalannya si kalor harus melewati ruang hampa (atau hampir hampa). Jika tidak ada sumbangan kalor dari matahari, maka kehidupan di bumi tidak akan pernah ada. Ingat bahwa kalor merupakan energi yang berpindah. Kehidupan kita di planet bumi sangat bergantung pada energi yang disumbangkan oleh matahari.

Radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi tanpa medium (zat perantara). Pancaran / radiasi matahari tidak secara keseluruhan diterima bumi, karena sebagian sudah diserap oleh atmosfer, sehingga sejumlah energi panas matahari sudah berkurang ketika sampai di bumi. Itulah gunanya atmosfer bagi bumi.

Radiasi sebenarnya merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, seperti cahaya tampak (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dll), infra merah dan ultraviolet alias ultra ungu. Mengenai gelombang elektromagnetik akan kita kupas tuntas dalam pokok bahasan tersendiri.

Contoh lain dari perpindahan kalor dengan cara radiasi adalah panas yang dirasakan ketika kita berada di dekat nyala api. Panas yang kita rasakan bukan disebabkan oleh udara yang kepanasan akibat adanya nyala api. Seperti yang telah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan konveksi, biasanya udara yang kepanasan memuai sehingga massa jenisnya berkurang. Akibatnya, udara yang massa jenisnya berkurang tadi meluncur ke atas, tidak meluncur ke arah kita. Mirip seperti asap yang keluar lewat cerobong. Kita bisa merasa hangat atau kepanasan ketika berada di dekat nyala api karena kalor berpindah dengan cara radiasi dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju tubuh kita (suhu lebih rendah). Dengan kata lain, kita bisa merasa hangat atau kepanasan karena adanya energi yang berpindah dengan cara radiasi dari nyala api menuju tubuh.

Perpindahan kalor dengan cara radiasi sedikit berbeda dibandingkan dengan perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi. Perpindahan kalor dengan cara konduksi dan konveksi terjadi ketika benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan. Sebaliknya, perpindahan kalor dengan cara radiasi bisa terjadi tanpa adanya sentuhan. Matahari dan bumi tidak saling bersentuhan, tetapi kalor bisa mengungsi dari matahari menuju bumi. Demikian juga nyala api dan tubuh kita tidak saling bersentuhan, tetapi tubuh bisa kepanasan kalau kita berdiri di dekat nyala api.

C.  Benda Penghantar Panas dan Bukan Penghantar Panas

      Berdasarkan sifat penghantar panas dibedakan menjadi 2, yaitu :

1.    Konduktor      : benda yang mudah menghantarkan panas.
 Contoh            : kawat, batang  tembaga, loyang aluminium.

2.    Isolator            : benda yang tidak mudah menghantarkan panas.
Contoh            : kayu, kain baju, karet gelang, plastik pembungkus, udara.

      Salah satu kegunaan benda yang bukan penghantar panas adalah termos air panas. Termos terbuat dari kaca berdinding dua lapis. Di antara dua dinding dibuat hampa udara ( vakum ). Kedua dinding dilapisi cermin yang berfungsi untuk memantulkan panas, sehingga panas sukar keluar termos. Jika ada panas yang dapat menerobos dinding pertama, maka panas ini akan dihambat oleh ruang hampa udara. Karena panas terkurung, maka untuk beberapa jam air yang tersimpan tetap panas.