LAPORAN KESETARAAN ENERGI / KALOR 2024
Mardianti Rukmana, Muhammad Rizal Fahlepy*), Wahyuni
Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar
Abstrak. Telah dilakukan eksperimen percobaan mengenai Kesetaraan Energi. Eksperimen ini bertujuan untuk memahami prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi) serta menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanis. Eksperimen ini menggunakan alat dan bahan berupa kalorimeter Joule lengkap, power supply DC, basicmeter, thermometer celcius, stopwatch, neraca Ohauss 311 gram, kabel penghubung, dan air. Pada eksperimen ini, kami merangkai kalorimeter sedemikian rupa sehingga terhubung dengan voltmeter, ammeter, dan power supply DC. Dengan demikian, kami dapat menghitung energi mekanis yang ditimbulkan oleh arus listrik dan energi panas yang diserap oleh air di dalam kalorimeter untuk menaikkan suhunya. Untuk variasi data, kami menggunakan tiga massa air yang berbeda-beda. Nilai kesetaraan energi mekanis dan energi panas dapat dihitung dengan membandingkan usaha mekanis yang diperoleh dan energi panas yang dihasilkan, yakni sebesar γ = |5,69 ± 0,18| J/kal, γ = |5,791 ± 0,028| J/kal, dan γ = |5,965 ± 0,047| J/kal. Hal ini tidak sesuai dengan teori yang menyatakan bahwa nilai kesetaraan energi adalah γ = 4,18 J/kal. Hal ini mungkin terjadi karena kalorimeter tidak terisolasi dengan baik sehingga terjadi perpindahan energi dan kerja dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya, atau karena kesalahan pengamat saat pengambilan data.
Kata kunci: Energi
kalor, energi mekanik, kuat arus, suhu, tegangan.
RUMUSAN MASALAH
- Bagaimanakah prinsip kesetaraan energi panas dan energi mekanis?
- Berapakah nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanis?
TUJUAN
- Memahami prinsip kesetaraan energi panas dan enegi mekanis.
- Menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanis.
TEORI SINGKAT
Hukum pertama termodinamika telah menjelaskan tentang hukum kekekalan energi. Hukum ini dapat dijadikan dasar untuk menentukan kesetaraan energi panas (Kalori) dan energi mekanis (Joule). Berikut dalam Gambar 1.1 diberikan diagram percobaan Joule.
Gambar.1.1. Perangkat percobaan Joule
Air dalam kalori meter berada dalam dinding insulasi agar temperatur sistem tidak dapat dipengaruhi oleh panas yang masuk atau keluar darinya. Dengan pemberian beda potensial Vs , arus listrik akan mengalir melalui amperemeter, sehingga beda potensial akan timbul pada ujung- ujung kumparan yang akan menghasilkan usaha listrik pada sistem untuk memanaskan air.Usaha ini dikenal sebagai kalor joule, yang dapat dinyatakan sebagai :
W=V.I.t (1.1)
di mana V adalah beda potensial ujung-ujung elemen, I adalah kuat arus listrik dalam rangkaian, dan t adalah waktu pengaliran aruske sistem. Energi panas yang dilepaskan oleh elemenlistrik tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter sehingga temperatur sistem menjadi meningkat. Besar energi panas Q yangdibutuhkan oleh air untuk menaikkan temperaturnya sebanding dengan perubahan temperatur ∆T dan massa m, yaitu :
Q = c m ∆T (1.2)
dimanac adalahkalor jenis air. Hasil eksperimen Joule dan eksperimen-eksperimen sesudahnya adalah bahwa dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanis atau listrik (joule) untuk meningkatkan temperatur 1g air dengan 1℃,atau 4,18 Jenergi mekanis atau listrik adalah ekuivalen dengan 1 kal energi panas (Herman & Asisten LFD: 2016).
Kalor Suatu Bentuk Tenaga
Menurut Halliday (1978), bila dua sistem yang temperaturnya berbeda-beda dipersatukan bersama, maka temperatur akhir yang dicapai kedua sistem tersebut berada diantara dua temperatur permulaan tersebut. Kalor adalah sesuatu yang dipindahkan diantara sebuah sistem dan sekelilingnya sebagai akibat dari adanya perbedaan temperatur. Satuan kalor Q biasanya didefenisikan secara kuantitatifdalam perubahan tertentu yang dihasilkan di dalam sebuah benda selama proses tertentu.Temperatur-temperatur referensi dinyatakan karena di dekat temperaturkamar terdapat sedikit variasi kalor yang diperlukan untuk kenaikan temperatur satu derajat dengan interval temperatur yang telah dipilih. Satuan-satuan kalor dihubungkan sebagai berikut :
1,000 kcal = 1000 cal = 3,968 Btu (Britist Thermal Unit)
C = kapasitas kalor = ( ∆Q)/∆T. (1.4)
Kalor Sebagai Transfer Energi
Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain yang temperaturnya lebih rendah. Kalori didefenisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat celcius. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekuivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal dengan tara kalor mekanik :4,186 J = 1 kal (1.5)
4,186× 103 J = 1 kkal (1.6)
Sebagai hasil dari percobaan ini dan yang lainnya, para ilmuan kemudian menginterpretasikan kalor bukan sebagai suatu zat, dan bahkan bukan sebagai suatu bentuk energi. Melainkan kalor merupakan transfer energi : ketika benda mengalir dari benda panas ke yang lebih dingin, energi-lah yang di transfer dari yang panas ke yang dingin. Dengan demikian kalor merupakan energi yang di transfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur (Giancoli: 1999).
Kapasitas kalor (C) suatu objek bernilai konstan antara panas Q yang diserap atau yang dilepas objek dan perubahan suhu ∆T yang dihasilkan objek,yaitu :
Q = C ∆T = C ( Tf - Ti) (1.7)
Dimana T_i dan T_f adalah suhu awal dan akhir objek. Kapasitas panas C memiliki satuan unit energi per derajat atau energi per kelvin. Kapasitas panas C, katakanlah sebuah lempeng marmer ,yang digunakan dalam suatu pemanas memiliki nilai 179 cal/C0, yang dapat juga ditulis sebagai 179/K atau 749 J/K. Kata “kapasitas” dalam konteks ini benar-benar menyesatkan sehingga akan menunjukkan suatu analogi seperti kapasitas ember untuk menahan air. Analogi seperti itu keliru, dan anda seharusnya tidak berpikir benda sebagai panas “yang terisi” atau dibatasi kemampuannya untuk menyerap panas. Proses perpindahan panas dapat terus berlanjut tanpa batas sepanjang terdapat perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan. Bendatersebut kemungkinan dapat meleleh atau menguap selama proses tersebut. Dua objek yang berasal dari bahan yang sama, misalkan sebuah marmer akan memiliki kapasitas panas sebanding dengan massanya sehingga mudah untuk mendefenisikan kapasitas kalor per satuan massa atau kalor jenis cyang tidak merujuk kepada objek tetapi merujuk pada satuan massa bahan penyusun objek tersebut. Sehingga secara matematis dirumuskan :
Q = c m ∆T = ( Tf - Ti) (1.8)
Melalui penelitian, kita akan menemukan bahwa meskipun kapasitas panas dari sebuah benda, misalkan marmer bernilai 179 kal/0C atau 749 J/K, panas spesifik dari marmer itu sendiri (di lempengan atau objek marmer lainnya) adala 0,21 kal/g.C0 atau (880 J/Kg.K) (Halliday: 2010).
METODE EKSPERIMEN
Alat dan Bahan
Alat
Kalorimeter Joule lengkap 1 buahPower supply DC variable 1 buah
Basicmeter 1 buah
Termometer Celcius 1 buah
Stopwatch 1 buah
Neraca Ohauss 311 gram 1 buah
Kabel penghubung 5 buah
Bahan
Air
Identifikasi Variabel
Variabel manipulasi : Massa air dalam kalorimeter m (g)Variabel respon : Waktu t (s)
Variabel kontrol : Tegangan volt (V) dan Kuat arus I (A)
Definisi Operasional Variabel
Variabel manipulasi: Massa air dalam kalorimeter m (gram)Dalam eksperimen ini massa air dalam kalorimeter merupakan variabel manipulasi karena massa air dalam kalorimeter diubah sebanyak tiga kali sehingga nilainya dapat mempengaruhi variabel lainnya. Massa air dalam kalorimeter adalah banyaknya air yang disimbolkan m yang dimasukkan ke dalam kalorimeter dan diukur dengan menggunakan neraca ohauss 311 g dengan satuan gram.
Variabel respon: Waktu t (s)
Dalam eksperimen ini waktu yang disimbolkan t merupakan variabel respon karena waktu dipengaruhi oleh variabel lainnya yaitu massa air. Waktu adalah lamanya kenaikan suhu pada termometer sebesar nilai kenaikan suhu yang telah ditentukan. Waktu diperoleh dengan menggunakan stopwatch dengan satuan sekon.
Variabel kontrol: Tegangan volt (V) dan Kuat arus I (A)
Dalam eksperimen ini tegangan dan kuat arus merupakan variabel kontrol karena tegangan dan kuat arus nilainya tidak berubah dengan kata lain nilainya tetap atau konstan. Tegangan yaitu perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik. Tegangan dinyatakan dalam satuan Volt (V). Sedangkan kuat arus I yaitu banyaknya muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar. Kuat arus listrik dinyatakan dalam satuan Ampere (A).
Prosedur Kerja
Memastikan semua perangkat percobaan yang akan digunakan telah tersedia. Merangkai percobaan Joule, kemudian melakukan pengukuran-pengukuran variabel yang dibutuhkan untuk memperoleh kesetaraan energi panas dan energi mekanis dengan menggunakan arus yang tidak melampaui 2A, dan memastikan semua rangkaian telah benar sebelum menyalakan power supplay. Setelah itu, mulai melakukan pengukuran dengan memperhatikan data yang diperlukan untuk mencari kesetaraan antara energi panas dan energi mekanik.Hasil Eksperimen dan Analisis Data
Untuk dapat melihat hasil praktikum dan analisis data silahkan klik link berikut (hasil dan analisis data Kesetaraan Energi / Kalor)
Pembahasan
Konsep kesetaraan energi pada dasarnya membicarakan tentang nilai kesetaraan antara energi kalor dan energi mekanik. Pada percobaan ini, digunakan perangkat kalorimeter Joule yang dimodifikasi dengan mengubah-ubah massa air yang terisolasi dalam sistem untuk mendapatkan nilai energi tersebut. Usaha listrik yang digunakan untuk memanaskan air disebut sebagai kalor mekanik yang dinyatakan sebagai W = V × I × t, di mana V adalah beda potensial/tegangan pada ujung-ujung elemen, I adalah kuat arus listrik, dan t adalah waktu pengaliran arus listrik. Selain itu, energi lainnya adalah adalah energi kalor, yaitu energi yang diterima oleh air dari elemen listrik yang diserap oleh sistem untuk menaikkan suhunya. Besarnya energi kalor dinyatakan sebagai Q = m × c × ΔT, di mana m adalah massa air yang dimasukkan ke dalam kalorimeter, c adalah kalor jenis air, dan ΔT adalah waktu yang digunakan untuk menaikkan suhu air di dalam kalorimeter.Pada kegiatan pertama, massa air yang ditentukan adalah |109,97 ± 0,01| g. Energi kalor yang didapatkan adalah |1,8 ± 0,2| x 102 kalori. Energi mekaniknya adalah |1,5 ± 0,1 | x 103 J. Dengan demikian, nilai kesetaraan energi adalah J/kal. Pada kegiatan kedua, massa air yang ditentukan adalah |172,92 ± 0,01| g. Energi kalor yang didapatkan adalah |2,7 ± 0,3| x 102 kalori, dan energi mekaniknya adalah |1,5 ± 0,1 | x 103 J. Sehingga kesetaraan energi yang didapatkan adalah J/kal. Pada kegiatan terakhir, massa air yang ditentukan adalah |183,62 ± 0,01| g. Energi kalor yang didapatkan adalah |1,9 ± 0,4| x 102 kalori dan energi mekaniknya sebesar |7,6 ± 0,7 | x 102 J. Sehingga nilai kesetaraan energi yang didapatkan adalah J/kal. Nilai-nilai ini terpaut cukup jauh dengan nilai kesetaraan energi secara teori, yaitu 4,18 J/kal. Hal ini bisa disebabkan karena beberapa hal, di antaranya sistem yang kurang terisolasi dengan baik sehingga energi yang berada di dalam sistem terkontaminasi dengan energi lingkungan, kesalahan pengamat pada saat pembacaan data, atau kesalahan analisis perhitungan.
SIMPULAN DAN DISKUSI
Berdasarkan hasil dari ekperimen joule dapat disimpulkan bahwa prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi panas dan energi mekanis (dalam hal ini yang digunakan energi listrik) yaitu apabila energi panas yang diterima oleh air dan kalorimeter tidak jauh berbeda dengan energi termal yang dilepaskan oleh elemen listrik atau dengan kata lain apabila energi listrik dapat diubah manjadi panas atau sebaliknya sehingga dikenal adanya kesetaraan antara panas dengan energy makanik/listrik. Kesetaraan panas-energi mekanik pertama kali diukur oleh joule dengan mengambil energi mekanik benda jatuh untuk mengaduk air dalam calorimeter sehingga air menjadi panas. Energi listrik dapat diubah menjadi panas dengan cara mengalirkan arus listrik pada suatu kawat tahanan yang tercelup dalam air yang bertada dalam kalorimeter.Sehingga kita dapat menentukan nilai keasetaraan energi panas dan energi mekanis yaitu untuk besar usaha untuk memanaskan air atau dikenal dengan kalor joule yaitu dinyatakan dengan W = V × I × t sedangkan besar energy panas yang dibutuhkan air yaitu dinyatakan sebagai Q = m c ΔT. Sedangkan nilai kesetaraan energi yang didapatkan dengan memanipulasi massa air yaitu γ = |5,69 ± 0,18| J/kal, γ = |5,791 ± 0,028| J/kal, dan γ = |5,965 ± 0,047| J/kalDAFTAR RUJUKAN
[1]. Herman, asisten LFD. 2014. Penuntun Praktikum Fisika Dasar 1. Makassar: Unit Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA UNM.[2]. Resnick, Halliday. 1978. Fisika jilid 1 edisi ketiga. Jakarta : Erlangga.
[3]. Douglas C. Giancoli. 1999. Fisika Jilid 1 Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga.
[4]. Resnick, Halliday. 2005. Fisika Dasar Edisi 7 Jilid 1. Jakarta : Erlangga.