Pertukaran Kalor&Perambatan Kalor

Jika dua buah zat atau lebih dicampur menjadi satu maka zat yang suhunya tinggi akan melepaskan kalor sedangkan zat yang suhunya rendah akan menerima kalor, sampai tercapai kesetimbangan termal.
Menurut asas Black

Kalor yang dilepas = kalor yang diterima

Catatan:

1. Kalor jenis suatu benda tidak tergantung dari massa benda, tetapi tergantung pada sifat dan jenis benda tersebut. Jika kalor jenis suatu benda adalah kecil maka kenaikan suhu benda tersebut akan cepat bila dipanaskan.
   
   
2. Pada setiap penyelesaian persoalan kalor (asas Black) lebih mudah jika dibuat diagram alirnya.

Contoh diagram alir untuk es bersuhu -tºC yang mencair sampai suhu tºC setelah menyerap kalor adalah sebagai berikut:

Contoh:
Es (kalor jenis 0,5 kalori/gramoC) sebanyak 10 gram pada suhu 0ºC diberi kalor sebanyak 1000 kalori. Bila kalor lebur es sama dengan 80 kalori/gram, hitunglah temperatur akhir air !

Jawab:

Misalkan temperatur akhir setelah diberi kalor ialah t_aºC. maka berdasarkan asas Black:
Q = mL + mcDt
1000 = 10 . 80 + 10 . 1 (t_a- 0)
1000 = 800 + 10 t_a
t_a = 20 C







Kalor dapat merambat melalui tiga macam cara yaitu:

1. Konduksi
   
   Perambatan kalor tanpa disertai perpindahan bagian-bagian zat perantaranya, biasanya terjadi pada benda padat.
   
   H = K . A . (DT/ L)
   
   H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu
   DT/L = gradien temperatur (ºK/m)
   K = koefisien konduksi
   A = luas penampang (m²)
   L = panjang benda (m)
   
   
   
2. Konveksi
   
   Perambatan kalor yang disertai perpindahan bagian-bagian zat, karena perbedaan massa jenis.
   
   H = K . A . DT
   
   H = jumlah kalor yang merambat per satuan waktu
   K = koefisien konveksi
   DT = kenaikan suhu (ºK)
   
   
   
3. Radiasi
   
   Perambatan kalor dengan pancaran berupa gelombang-gelombang elektromagnetik.
   
   Pancaran kalor secara radiasi mengikuti Hukum Stefan Boltzmann:
   
   W = e . s . T⁴
   
   W = intensitas/energi radiasi yang dipancarkan per satuan luas per satuan waktu
   s = konstanta Boltzman =5,672 x 10^-8 watt/cm².ºK⁴
   e = emisivitas (o < e < 1) T = suhu mutlak (ºK)
   

Benda yang dipanaskan sampai pijar, selain memancarkan radiasi kalor juga memancarkan energi radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 10^-6 s/d 10^-5 m. Untuk benda ini berlaku hukum PERGESERAN WIEN, yaitu:
l_max . T = C
C = konstanta Wien = 2.9 x 10^-3m ºK

Kesimpulan: Semua benda (panas/dingin) memancarkan energi radiasi/kalor Semakin tinggi suhu benda. semakin besar radiasinya dan semakin pendek panjang gelombangnya. Koefisien emisivitas benda tergantung pada sifat permukaannya.Benda hitam sempurna mempunyai nilai e = 1 merupakan pemancar dan penyerap kalor yang paling baik.

Contoh:
1. Air mengalir dengan laju alir 3 liter/menit. Jika suhu awal air 20ºC dan seluruh kalor diberikan pada air, hitunglah suhu air panas!
Jawab:
misalkan suhu air panas t_a
Q = 3 liter/menit = 3 dm³/60 detik = 50 cm³/detik
berarti V = 50 cm³ ® m = r .V = 1 . 50 = 50 gram

t = 1 detik 1 joule = 0.24 kal

E = Q ® 0,24 P.t = m. c. t

0.24 . 3500 . 1 = 50. 1 ( t_a - 20 ) ® t_a = 36.8ºC
2. Benda hitam sempurna luas permukaannya 0,5 m² dan suhunya 27ºC. Jika suhu sekelilingnya 77ºC, hitunglah:
a. kalor yang diserap persatuan waktu persatuan luas
b. energi total yang dipancarkan selama 1 jam.
Jawab:
Benda hitam: e = 1 ;  s = 5,672.10^-8 watt/m²K⁴
a. W = e s ( T₂⁴ - T₁⁴) ® T1 = 300ºK ; T₂ = 350ºK
= 1. 5,672.10^-8 (350⁴ - 300⁴)
= 391,72 watt/m²
b. W = E/A.T ® E = W. A. t
E = 391,72. 0,5. 3600 = 705060 Joule
3. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!
Jawab:
Misalkan suhu pada titik sambungan = T. maka
[K . A . (DT/L)] besi = [K . A . (DT/L)] kuningan
K . A (500 - T)/2 = 3 KA (T - 350)/l
T= 2600/7= 371,4ºC