Asas Black & Hukum Kekekalan Energi, Rumus, Contoh Soal dan Pembahasan

Daftar Materi Fisika

• 1. Besaran Fisika
• 2. Vektor dan Resultan
• 3. Mekanika (Kinematika dan Dinamika)
• 4. Fisika Optik
• 5. Suhu dan Kalor

Advertisement

Baca Juga:

Kalor merupakan bentuk energi yaitu energi panas. Karena bentuk energi maka dalam sistem SI, kalor memiliki satuan joule. Kesetaraannya adalah 1 kal = 4,2 joule atau 1 joule = 0,24 kal. Berbicara mengenai kalor tentunya tidak lepas dari Asas Black dan Hukum Kekekalan Energi. Nah pada kesempatan kali ini kita akan membahas tentang Asas Black dan hubungannya dengan Kekekalan Energi. Untuk itu, silahkan kalian simak baik-baik penjelasan berikut ini.

Apa itu Asas Black?

Pernahkah kalian mandi dan airnya kedinginan? Kemudian kalian mencampurkan air panas pada air mandi kalian. Begitu pula sebaliknya, pernahkah kalian membuat teh manis dan terlalu panas? Untuk mendinginkan kalian tambah es kedalam teh tersebut.

Kejadian-kejadian yang pernah kalian lakukan seperti di atas ternyata sangat sesuai dengan konsep fisika. Setiap dua benda atau lebih dengan suhu berbeda dicampurkan maka benda yang bersuhu lebih tinggi akan melepaskan kalornya, sedangkan benda yang bersuhu lebih rendah akan menyerap kalor hingga mencapai keseimbangan yaitu suhunya sama.

Pelepasan dan penyerapan kalor ini besarnya harus imbang. Kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap sehingga berlaku hukum kekekalan energi. Pada sistem tertutup, kekekalan energi panas (kalor) ini dapat dituliskan sebagai berikut.

QLepas = QTerima ………. Pers. (1)

Keterangan:

QLepas = jumlah kalor yang dilepaskan oleh zat (Joule)

QTerima = jumlah kalor yang diterima oleh zat (Joule)

Hubungan pada persamaan (1) di atas pertama kali dijelaskan oleh Joseph Black. Kemudian persamaan itu dikenal dengan Azas Black. Untuk lebih memahami penerapan Asas Black dalam perhitungan kalor pada pencampuran dua zat dengan suhu yang berbeda, silahkan kalian simak baik-baik contoh soal dan pembahasannya berikut ini.

Contoh Soal 1:

Botol termos berisi 230 gram kopi pada suhu 80oC. Kemudian ditambahkan susu sebanyak 20 gram bersuhu 5oC. Jika tidak ada kalor pencampuran maupun kalor yang terserap botol termos dan kalor jenis kopi = susu = air = 1,00 kal/goC, maka berapakah suhu keseimbangan campuran?

Penyelesaian:

Diketahui:

TK = 80oC

mK = 250 g

TS = 5oC

mS = 20 g

c = 1 kal/goC

Ditanyakan: suhu akhir (TA)= …?

Jawab:

Untuk mempermudah perhitungan dapat digambar grafik hubungan Q-T seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Dari grafik terlihat bahwa kopi akan melepas kalor (QLepas) dan susu akan menyerap kalor (QTerima). Besarnya memenuhi Asas Black sebagai berikut.

QTerima = QLepas

QS = QK

≫ mS × cS × ∆TS = mK × cK × ∆TK

≫ mS × cS × (TA – TS) = mK × cK × (TK – TA)

≫ 20 × 1 × (TA – 5) = 230 × 1 × (80 – TA)

≫ 20(TA – 5) = 230(80 – TA)

≫ 2(TA – 5) = 23(80 – TA)

≫ 2TA – 10 = 1840 – 23TA

≫ 2TA + 23TA = 1840 + 10

≫ 25TA = 1850

≫ TA = 1850/25

≫ TA = 74

Jadi, suhu keseimbangan atau suhu akhir campuran antara kopi dan susu tersebut adalah 74oC.

Latihan Soal 1

Setelah kalian memahami contoh soal di atas, silahkan kalian coba kerjakan soal berikut ini. Ke dalam sebuah bejana yang berisi air 4oC dicelupkan besi 2000 gram, suhu 90oC. Jika massa air 300 gram dan kalor jenis besi = 0,10 kal/goC, maka tentukan suhu kesetimbangannya!

Percampuran dua benda atau lebih yang menggunakan azas Black dalam menganalisanya sangat berkaitan dengan perubah suhu dan perubah wujud. Jika dalam proses percampuran terjadi perubahan wujud maka perlu perhatian yang khusus. Cermati contoh berikut untuk lebih memahaminya.

Contoh Soal 2:

Dalam gelas berisi 200 cc air 40oC kemudian dimasukkan 40 gram es 0oC. Jika kapasitas kalor gelas 20 kal/oC dan kalor lebur es adalah 80 kal/g, maka berapakah suhu seimbangnya?

Penyelesaian:

Diketahui:

Tair = 40oC

Vair = 200 cc = 200 cm3

mair = ρair × Vair

mair = (1 g/cm3)(200 cm3)

mair = 200 g

Cgelas = 20 kal/oC

Tgelas = Tair

Tes = 0oC

mes= 40 g

Les = 80 kal/g

cair = 1 kal/goC

Ditanyakan: suhu akhir (TA)= …?

Jawab:

Dari massa dan suhu air dibandingkan dengan massa dan suhu es dapat diprediksi bahwa suhu akhir campuran akan melebihi 0oC, sehingga dapat digambarkan grafik Q-T seperti pada gambar di bawah ini.

Pada proses tersebut, berlaku azas Black sebagai berikut.

Q1 + Q2 = Q3 + Q4

≫ (mes × Les) + (mes × cair × ∆Tes) = (Cgelas × ∆Tair) + (mair × cair × ∆Tair)

(mes × Les) + [mes × cair × (TA – Tes)] = [Cgelas × (Tair – TA)] + [mair × cair × (Tair – TA)]

≫ (40 × 80) + [40 × 1 × (TA – 0)] = [20 × (40 – TA)] + [200 × 1× (40 – TA)]

≫ 3200 + 40TA = 20(40 – TA) + 200(40 – TA)

≫ 320 + 4TA = 2(40 – TA) + 20(40 – TA)

≫ 320 + 4TA = 80 – 2TA + 800 – 20TA

≫ 4TA + 2TA + 20TA = 80 + 800 – 320

≫ 26TA = 560

≫ TA = 560/26

≫ TA = 21,54

Jadi, suhu seimbangnya adalah 21,54oC.

Latihan Soal 2

Setelah kalian memahami contoh soal di atas, silahkan kalian coba kerjakan soal berikut ini. a gram es –10oC dicampur dengan b gram air bersuhu 20oC. Jika suhu akhir yang dicapai 5oC, kalor lebur es 80 kal/g, kalor jenis es 0,5 kal/goC, maka tentukan nilai perbandingan a/b!

Hukum Kekekalan Energi

Di SMP kalian sudah dikenalkan tentang kekekalan energi. Energi tidak dapat dimusnahkan dan tidak dapat diciptakan tetapi dapat berubah bentuk. Pernyataan ini merupakan hukum kekekalan energi secara umum.

Kalor merupakan salah satu bentuk energi berarti harus juga memenuhi kekekalan energi. Kalor dapat berubah menjadi bentuk lain misalnya listrik (PLTU). Begitu pula kalor dapat timbul dari energi lain misalnya cahaya dan listrik juga (strika listrik).

Contoh Soal 3:

Sebuah kompor listrik yang dayanya 500 watt dan daya gunanya 40% digunakan untuk memanaskan 1 liter air yang suhu awalnya 20oC. Jika kalor jenis air adalah 4 J/goC, maka berapakah suhu air setelah ¼ jam?

Penyelesaian:

Diketahui:

P = 500 watt

Daya guna = 40%

mair = 1 liter = 1000 cm3 = 1000 g

cair = 4 J/goC

T0 = 20oC

t = ¼ jam = ¼ × 3600 s = 900 s

Ditanyakan: suhu akhir (TA) = …?

Jawab:

Pada pemanasan air dengan kompor listrik ini terjadi perubahan energi listrik menjadi kalor. Karena daya gunanya 40% maka dapat berlaku:

Kalor = energi

Q = 40%W

≫ mair × cair × ∆T = 0,4 × P × t

≫ mair × cair × (TA – T0) = 0,4 × P × t

≫ 1000 × 4 × (TA – 20) = 0,4 × 500 × 900

≫ 4000(TA – 20) = 180000

≫ 4(TA – 20) = 180

≫ 4TA – 80 = 180

≫ 4TA = 180 + 80

≫ 4TA = 260

≫ TA = 260/4

≫ TA = 64

Jadi, suhu akhir air setelah ¼ jam atau 900 detik adalah 65oC.

Latihan Soal 3

Setelah kalian memahami contoh soal di atas, silahkan kalian coba kerjakan soal berikut ini. Elemen pemanas sebuah kompor listrik 110 V mempunyai hambatan 20 Ω. Jika kompor ini digunakan untuk memanaskan 1 kg air bersuhu 20oC selama 7 menit dan dipasang pada tegangan 110 volt, maka tentukan suhu akhir air (kalor jenis air 1 J/kgoC)!