Materi Smp Kelas 8 Bab Iv (perpindahan Kalor)

30 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. FISIKA KELAS VIII

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. BAB IV PERPINDAHAN KALOR Pembelajaran ini bertujuan agar Anda dapat : Menyelidiki perpindahan kalor secara konduksi (untuk zat padat), konveksi (untuk zat cair dan gas), dan radiasi Mengidentifikasi zat yang termasuk konduktor dan isolator kalor Mengaplikasikan konsep perpindahan kalor untuk menyelesaikan masalah fisika sehari-hari misalnya pada termos dan setrika. KONDUKSI

KONVEKSI

Air dalam ketel direbus menjadi mendidih berarti kalor telah berpindah dari kompor ke air. Seekor kucing merasa hangat di depan perapian. Kucing merasakan aliran kalor melalui udara. Pengait besi terasa panas pada ujung lainnya sementara ujung yang satu berada di bara api. Pada BAB ini Kamu akan mempelajari cara-cara fisik energi kalor berpindah yaitu melalui tiga cara konduksi, konveksi, dan radiasi. Cara fisik energi kalor dapat dipindahkan melalui tiga cara yaitu konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi memerlukan medium zat padat untuk mengalirkan kalor, konveksi terjadi pada zat cair maupun gas, tetapi radiasi tidak selalu memerlukan perantara karena melalui gelombang elektromagnetik umumnya radiasi infra merah. Perpindahan kalor, dalam fisika adalah memindahkan energi kalor dari satu bagian ke bagian lain yang berbeda suhunya. Ketiga proses konduksi, konveksi dan radiasi dapat terjadi secara serempak, sebagai contoh pada saat merebus air dalam panci, kalor dipindahkan secara konduksi melalui dinding panci yang berisi air. Kalor dikonveksi air ke seluruh bagian, dan radiasi nyala api ke segala arah.

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

31 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

A. Membedakan Perpindahan Kalor Secara Konduksi, Konveksi dan Radiasi Konduksi Konduksi adalah satu-satunya cara perpindahan kalor dalam zat padat. Dalam perpindahan ini energi kalor dialirkan dari suatu bagian ke baguian lain melalui perambatan “energi dalam” dari satu partikel ditransfer ke partikel lain yang berdekatan dan berlanjut seterusnya secara beranting Perwujudan dari perambatan energi dalam ini merupakan getaran partikel di setiap titik kesetimbangannya. Bila perubahan suhu tiap ujung zat padat bervariasi secara linier maka konduksi kalor terjadi secara stasioner.

t1A

H

A

t2

L Gambar 4.1. Perpindahan kalor melalui zat padat

Bila zat padat sepanjang L kedua ujungnya memiliki suhu t1 dan t2, dengan t1 > t2 dan luas penampang permukaan penerima kalor sebesar A maka kalor (Heat) yang mengalir sebesar Energi konduksi

E=

kA∆t t L

, dengan satuan joule

Daya hantar konduksi

P=

kA∆t L

, dengan satuan watt

Intensitas konduksi

H=

k∆t L

, dengan satuan watt/m2,

perubahan suhu

∆ t = t1 – t2

dimana

dan t adalah waktu berlangsungnya konduksi.

Dimana k adalah koefisien konduksi atau konduktivitas termal benda, dan A adalah luas penampang yang di lalui hantaran kalor. Konveksi Istilah konveksi dipakai untuk perpindahan kalor dari satu tempat ke tempat lain akibat perpindahan bahannya sendiri. Jadi perpindahan kalor ini dibawa oleh materi itu sendiri dan materi itu berupa zat cair atau gas yang biasa disebut dengan fluida. Jika bahan yang dipanaskan dipaksa bergerak dengan alat peniup atau pompa, prosesnya disebut konveksi paksa. Namun jika bahan itu mengalir akibat perbedaan kerapatan massa prosesnya

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

32 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. disebut konveksi alamiah. Terjadinya angin darat maupun angin laut dapat jelaskan melalui konveksi alamiah udara. Kalor yang diperoleh atau hilang dari suatu permukaan fluida bersuhu tertentu yang berhubungan pada fluida lain bersuhu berbeda, tergantung pada beberapa hal, misalnya :  Bentuk permukaan  Apakah zat fluida itu bersentuhan dengan permukaan fluida lain  Kerapatan massa, viskositas, kalor jenis dan konduktivitas termal  Apakah kecepatan fluida kecil sehingga aliran linier, ataukah kecepatan besar menimbulkan aliran terbuka  Apakah terjadi penguapan, pengembunan , dan lain-lain. Rumus konveksi sebagai berikut. Energi konveksi

E = h A ∆t . t

,dengan satuan joule

Daya konveksi

P = h A ∆t

, dengan satuan watt

Intensitas konveksi

H = h ∆t

,dengan satuan watt/m2

Dengan h adalah koefisien konveksi zat cair. Radiasi Proses radiasi pada dasarnya berbeda dari konduksi dan konveksi dalam arti bahwa perpindahan kalor tidak memerlukan medium. Bahkan dapat melalui ruang hampa.

Gambar 4.2. Radiasi matahari dalam bentuk gelombang elektromagnetik mencapai bumi melalui ruang hampa udara

Radiasi adalah suatu istilah yang biasanya berlaku untuk bermacam-macam gejala gelombang elektromagnetis. Beberapa gejala radiasi dapat diuraikan dalam kaitan dengan teori gelombang dan yang lain dapat diterangkan dalam kaitan dengan teori kuantum. Ahli ilmu fisika Amerika kelahiran Jerman Albert Einstein tahun 1905 menunjukkan perilaku energi radiasi yang terkuantisasi dalam eksperimen fotolistriknya. Ahli ilmu fisika Jerman Max Planck pada tahun 1900menggunakan teori kuantum dan mekanika statistik untuk memperoleh hukum pokok radiasi.

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

33 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Kekuatan energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak benda. Hanya benda ideal ( benda hitam) yang memancarkan radiasi seperti itu menurut Hukum Planck. Energi radiasi yang dipancarkan oleh suatu benda disebut emisi. Dirumuskan sebagai berikut. Energi radiasi :

E = e σ T4 A t

Daya radiasi :

P = e σ T4A

dengan satuan watt

Intensitas radiasi :

R = e σ T4

dengan satuan watt/m2

dengan satuan joule

Dimana σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 watt/m2 K4, dan T suhu mutlak . Dalam hal ini e disebut emisivitas yang nilainya 0 ≤ e≤ 1. Benda yang berwarna putih memiliki e = 0 dan benda yang berwarna hitam memiliki e = 1. Benda yang berwarna hitam memiliki kemampuan menyerap atau memancarkan energi jauh lebih baik dari pada benda yang berwarna putih.

B. Konduktor dan Isolator Proses perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi memerlukan medium hantaran zat padat, zat cair, maupun zat gas, sedangkan perpindahan kalor secara radiasi tidak memerlukan medium perantara, bahkan dapat berlangsung melalui hampa udara (vakum). Zat-zat ada yang mudah menghantarkan kalor ada yang sukar menghantarkan kalor.

Gambar 4.3. Panci terbuat dari aluminium sebagai konduktor panas yang baik Zat yang dapat menghantarkan kalor dengan baik disebut konduktor panas. Konduktor pada umumnya berupa logam, dan berbentuk padat pada suhu ruangan. Misalnya besi, baja, aluminium, seng, platina, perak, nikel, emas dan sebagainya. Ada satu konduktor panas yang berbentuk cair pada suhu ruang yaitu raksa.

Gambar 4.4. Kayu sebagai isolator panas

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

34 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Penghantar kalor yang kurang baik disebut dengan isolator panas. Isolator panas dapat berupa kertas, kayu, plastik, kain, udara dan sebagainya. Kegiatan 4.1. Tujuan :Menguji bahan konduktor dan isolator 1. Nyalakan sebuah lilin, dan siapkan berbagai bahan yangakan diuji sifat daya hantar panasmya. 2. Sentuhkanlah ujung tiap-tiap bahan ke nyala sementara ujung lainnya tetap Kamu pegang. 3. Bila menjumpai bahan yang langsung terbakar atau mengalami perubahan wujud, kelompokkanlah bahan itu menjadi isolator panas. 4. Bila menjumpai bahan yang tidak langsung terbakar atau mengalami perubahan bentuk melainkan ujung yang terpegang terasa panas , kelompokkanlah behan itu ke dalam konduktor panas. 5. Ulangi terus kegiatan ini sampai dengan bahan-bahan yang Kamu dapat selesai. C. Aplikasi Perpindahan Kalor dalam Kehidupan Sehari-hari Penerapan perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari sangat banyak, walaupun Kamu seringkali tidak menyadarinya. Pada malam hari bumi tidak menjadi dingin sekali karena atmosfer memainkan peran sebagai isolator sekaligus sebagai medium konveksi udara. Pada siang hari yang terik sepatu atau sandal yang Kamu pakai melindungi perpindahan panas dari aspal jalan, karena bahan sepatu termasuk isolator kalor. Pada pembuatan termos air panas selalu memiliki permukaan yang mengkilap di permukaan dinding bagian dalamnya. Di luarnya terdapat ruang hampa baru kemudian terdapat dinding luar.

Gambar 4.5. Termos mampu mencegah perpindahan panas secara konduksi Hal itu dimaksudkan agar kalor dari air panas tidak segera berpindah secara konduksi kea rah dinding luar. Sehingga panas air dapat dipertahankan. Pada saat menyetrika pakaian, panas dari elemen setrika dikonduksikan ke seluruh bagian setrika sehingga pemanasan permukaan bagian bawah setrika merata. Dengan demikian pakaian dapat tergosok dengan permukaan setrika yang memiliki panas merata.

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

35 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

Gambar 4.6. Setrika memiliki panas yang merata akibat konduksi kalor.

RINGKASAN  Kalor berpindah dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah  Ada tiga cara perpindahan kalor yaitu konduksi, konveksi, radiasi  Energi konduksi dapat dirumuskan E =

kA∆t t L

 Energi konveksi dapat dirumuskan E = h A ∆t . t  Energi radiasi dapat dirumuskan

E = e σ T4 A t

 Konduktor adalah semua benda yang mudah menghantarkan kalor.  Isolator adalah semua benda yang sukar menghantarkan kalor.  Perpindahan kalor banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari namun Kita sering tidak menyadarinya. SOAL-SOAL KOMPETENSI BAB IV SOAL ESSAY 1. Dari arah mana kemanakah arah aliran panas pada benda ? 2. Ada tiga cara yang berbeda tentang transformasi energi panas antara dua titik yang berlainan suhunya, sebutkan dan jelaskan.! 3. Disebut apakah proses perpindahan kalor di mana tidak ada pemindahan massa zat-zat atau gas yang dipanasi ? 4. Disebut apakah proses perpindahan kalor yang disertai pemindahan massa zat cair atau gas yang dipanasi ? 5. Disebut apakah proses perpindahan energi kalor dimana tidak ada zat perantara yang memegang peranan dalam pemindahan itu. 6. Faktor –faktor apa sajakah yang mempengaruhi banyaknya energi yang dipancarkan per satuan waktu oleh sebuah benda hitam ideal ? 7. Tuliskan rumus intensitas kalor secara konduksi ! 8. Tuliskan rumus intensitas kalor secara konveksi !

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

36 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. 9. Sebuah dinding tembok tebalnya 30 cm mempunyai konduktivitas termal 0,0017 kal/cm.s °C. Permukaan yang satu bersuhu 25 °C dan permukaan lainnya bersuhu 15° C. Berapa kalori kalor yang dihantarkan tembok tiap m2 dalam waktu 2 menit ? 10. Berilah contoh konduktor yang berbentuk padat dan yang berbentuk cair pada suhu kamar ! 11. Volume air yang direbus dalam panci memiliki luas permukaan 100 cm2. Bagian yang bersentuhan dengan nyala api bersuhu 80 °C sedangkan permukaan bagian atas bersuhu 50 °C. Bila koefisien konveksi air 0,05 joule/cm2.s °C . Hitunglah banyaknya kalor yang dihantarkan ! 12. Berapa intensitas radiasi dari sebuah benda hitam yang bersuhu 27°C dan berjari-jari 10 cm ? 13. Mengapa dinding botol termos dibuat rangkap dan bagian dalamnya terbuat dari kaca mengkilap? Bagaimana jika dinding bagian dalamnya pecah ? 14. Dengan cara apa sajakah kalor dari kompor berpindah ke air dalam panci aluminium yang sedang dipanaskan ? 15. Sebutkan pemanfaatan dari perpindahan secara konduksi ! 16. Sebutkan cara perpindahan kalor mulai dari api sampai ke air yang dipanaskan dalam sebuah panic dari almunium ! 17. Sebutkan 3 cara perpindahan kalor pada perapian penghangat rumah di musim dingin seperti di Negara sub tropis 18. Apa yang dimaksud dengan konduktivitas termal? 19. Apa yang dimaksud dengan konveksi (aliran) ? 20. Bagaimana cara panas dari matahari smpai ke bumi ? SOAL PILIHAN GANDA 1. Sebuah peti es terbuat dari kayu yang tebalnya 5 cm dan mempunyai luas efektif 1 m 2. Konduktivitas termalnya 0,00027 kal/cm.det°C. Suhu di dalam peti 5°C dan suhu di luar peti 25°C. Jika kalor lebur es 80 kal/g maka tiap hari (24 jam) banyaknya es yang akan melebur di dalam peti e situ a. 10 kg

c. 12 kg

b. 11 kg

d. 13 kg

2. Sebuah ketel tembaga ditempatkan di atas api gas. Luas dasar ketel itu 180 cm2 dan tebalnya 1,5 mm. Di dalam ketel terdapat air yang sedang mendidih pada 100°C dan suhu di permukaan luar ketel 150°C. Jika konduktivitas termal tembaga 0,918 kal/cm.det°C, maka banyaknya kalor yang dihantarkan tiap menit melalui dasar ketel itu a. 3035 kkal

c. 3305 kkal

b. 3053 kkal

d. 3350 kkal

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

37 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. 3. Sebatang tembaga yang diameternya 2cm dan panjangnya 40 cm dimasukkan dengan salah satu ujungnya dalam air yang sedang mendidih dan ujung lainnya dibungkus dengan kain yang didinginkan dengan aliran air pada 10°C. Konduktivitas termal tembaga 0,918 kal/cm.det°C. Jika dalam 5 menit banyaknya air yang mengalir dalam bungkus kain itu 250 gram, maka suhu air ini naik a. 5,7 °C

c. 7,8°C

b. 7,5°C

d. 8,7°C

4. Konduktivitas termal aluminium ialah 0,504 kal/cm.det. °C. Jika salah satu ujung sebatang aluminium yang panjangnya 30 cm dan diameternya 2 cm dimasukkan dalam air yang mendidih pada 100°C dan ujung lainnya dimasukkan dalam es (KL 80 kal/g), maka banyaknya es yang melebur tiap menit a. 4 g

c. 8 g

b. 6 g

d. 10 g

5. Sebuah lampu pijar dari 25 watt mempunyai kawat pijar yang luas permukaannya 0,4 cm2. Jika daya pancar kawat pijar itu 30% dari daya pancar benda hitam ideal, maka suhu kawat pijar itu a. 2459 K

c. 2549 K

b. 2495 K

d. 2594 K

6. Sebuah lampu pijar mempunyai daya pemakaian 15 watt apabila suhunya 2000 K. Agar suhu kawat pijarnya dapat mencapai 3000 K, maka besarnya tenaga yang harus diberikan kepadanya a. 50 watt

c. 70 watt

b. 60 watt

d. 76 watt

7. Suatu tenaga radiasi datang pada permukaan benda dengan kekuatan 35 watt/m2. Jika faktor refleksi permukaan tersebut 0,4 maka permukaan itu menyerap a. 14 watt/m2

c. 21 watt/m2

b. 18 watt/m2

d. 25 watt/m2

8. Suatu permukaan perak mempunyai faktor refleksi 0,97 pada 900 K. Tenaga radiasi permukaan ini pada suhu tersebut ialah a. 1122 watt/m2

c. 1221 watt/m2

b. 1212 watt/m2

d. 2112 watt/m2

9. Suhu pada permukaan matahari kira-kira 6000 K. Kalau matahari kita anggap sebagai benda hitam ideal, maka banyaknya radiasi yang diterima oleh permukaan bumi dari matahari a. 7387 watt/cm2

c. 7357 watt/cm2

b. 7378 watt/cm2

d. 7348 watt/cm2

10. Semua logam merupakan konduktor yang baik karena a. permukaannya mengkilap

c. atom-atomnya berdekatan

b. atom-atomnya tidak saling bertumbukan

d. mempunyai elektron-elektron bebas

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

38 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. 11. Pada konveksi, bagian-bagian fluida yang dipanasi bergerak karena a. gerakan molekulnya diarahkan

c. tumbukan molekul-molekul

b. ada arus di sekelilingnya

d. massa jenisnya lebih kecil daripada fluida di sekelilingnya

12. Radiasi lantaran gelombang elektromagnetik dipancarkan oleh a. antena radio dan televise saja

c. benda panas ke benda dingin saja

b. benda dingin ke benda panas saja

d. semua benda

13. Proses pemindahan panas secara konveksi terjadi dalam benda a. padat dan cair

c. cair dan gas

b. padat dan gas

d. padat, cair dan gas

14. Berpindahnya kalor karena perpindahnya partikel-partikel zatnya disebut……. a. Hantaran b. Radiasi c. Pancaran d. Konvensi 15. Perpindahan kalor secara konvensi terjadi pada……… a. Zat cair secara aliran b. Zat padat secara rambatan c. Zat gas secara pancaran d. Ruang hampa secara pancaran 16. Arah aliran pada konveksi secara berurutan adalah…….. a. Air dingin ke atas yang panas yang panas ke bawah b. Air yang panas keatas dan air dingin yang ke bawah c. Air yang panas dan yang dingin d. Air yang panas dan yang dingin sama-sama bergerak ke bawah 17. Bagian air yang dipanaskan bergerak ke atas karena……… a. Massa jenisnya membesar b. Adanya dorongan dari kalor c. Massa jenisnya berkurang d. Adanya desakan dari bawah 18. Konveksi kalor tidak terjadi apabila air…….. a. Dipanaskan dari bagian atas b. Dipanaskan dari bagian bawah c. Dipanaskan dalam waktu yang tepat d. Dipanaskan dalam wakatu yang sebentar 19. Arus konveksi udara terjadi ketika…………………. a. Udara panas bergerak ke atas dan yang dingin ke bawah b. Udara panas bergerak ke bawah dan yang dingin ke atas c. Uadara panas dan dingin bergerak ke atas d. Udara panas dan dingin bergerak ke bawah

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

39 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

20. Penjelasan yang manakah yang menjelaskan terjadinya angin laut ? a. waktu siang tanah atau darat lebih cepat panas daripada air laut, sehingga udara bergerak ke atas dan digantikan oleh udara dari laut menuju darat b. waktu siang laut lebih lebih cepat panas daripada darat, sehingga udara bergerak dari laut ke darat c. waktu malam, laut lebih cepat panas daripada di darat, sehingga udara

di laut

bergerak ke atas dan digantikan oleh udara dari darat menuju laut d. waktu malam, tanah atau darat

lebih cepat panas dari pada laut, sehingga udara

bergerak ke atas dan digantikan oleh udara dari darat menuju ke laut.

21. Pejelasan yang manakah yang menjeslaskan terjadinya angin darat ? a. waktu malam, tanah atau darat lebih cepat panas daripada laut, sehingga udara bergerak ke atas dan di gantikan oleh udara dari laut menuju ke darat b. waktu malam, laut lebih cepat panas daripada darat sehingga udara dari menuju laut c. waktu siang, tanah panas sehingga udara dari laut bergerak ke darat d. waktu siang, tanah panas sehingga udara dari darat menuju ke laut 22. Pemanfaatan dari konveksi udara pada angin laut yaitu…………… a. nelayan pulang setelah berlayar mencari ikan b. nelayan untuk pergi berlayar mencari ikan c. nelayan untuk menjual ikan hasil tangkapannya d. nelayan untuk pulang dan pergi berlayar 23. Pemanfaatan dari konveksi udara pada angin darat adalah…………….. a. nelayan pulang berlayar mencari ikan b. nelayan pergi berlayar mencari ikan c. nelayan pergi menjual ikan d. nelayan pulang pergi berlayar 24. Perpindahan kalor tanpa zat perantara disebut………….. a. hantaran b. aliran c. konvensi d. radiasi 25. Peristiwa perpindahan kalor secara radiasi adalah………….. a. terjadinya angin darat dan angin laut b. cahaya matahari sampai ke bumi c. memasak air sampai mendidih d. pemanasan ujung batang logam 26. Alat untuk mengetahui pancaran kalor disebut………….

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

darat

40 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. a. Termos b. Termoskop c. Termograf d. Temperatur 27. Alat untuk menunjukkan sifat permukaan benda terhadap radiasi kalor adalah ….. a. Kubus lesli b. Kubus kotak c. Radiator d. Reaktor 28. Panas kubus lesli pipa diisi air panas. Ternyata air dalam pipa bagian kanan turun dan pada bagian kiri naik. Hal ini disebabkan karena…………….. a. Permukaan kubus hitam memancarkan kalor yang lebih cepat daripada permukaan Putih b. Permukaan kubus hitam memancarkan kalor lebih lambat dari yang Putih c. Permukaan kubus Putih memancarkan kalor lebih cepat daripada yang hitam d. Permukaan kubus Putih posisinya lebih rendah daripada posisi yang hitam 29. Berikut ini adalah pernyataan yang tepat tentang penyerapan dan pemantulan kalor, kecuali…….. a. Permukaan Putih dapat memantulkan kalor b. Permukaan Putih dapat memancarkan kalor c. Permukaan hitam dapat memancarkan kalor d. Permukaan hitam dapat menyerap kalor 30. Cara berpakaian yang tepat ketika siang hari ditarik matahari menurut penyerapan kalor adalah…………. a. Warna putih karena dapat memantulkan kalor b. Warna putih karena dapat menyerap kalor c. Warna hitam karena dapat menyerap kalor d. Warna hitam karena dapat memantulkan kalor 31. Salah satu alat yang dapat mempertahankan panas dan untuk mencegah perpindahan kalor adalah termos. Berikut ini adalah prinsip kerja termos berdasarkan kaidah tersebut, kecuali…….. a. Dinding dalam terbuat dari kaca untuk mencegah perpindahan kalor secara konduktif b. Ada ruang hampa atau vakum untuk mencegah perpindahan kalor secara konveksi c. Dinding kaca termos mengkilat untuk mencegah penyerapan kalor d. Termos yang baik adalah termos yang bentuknya baik, maruangan rumah diberi cat hal harganya dan air di dalamnya tetap hangat. 32. Berikut

pemakaian konsep

perpindahan kalor dalam kehidupan

kecuali……. a. Ruangan rumah di beri cat yang berwarna Putih agar terasa cerah

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.

sehari-hari,

41 Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. b. Setrika mengkonduksi kalor terhadap pakaian yang disetrikaTermos dapat mencegah perpindahan kalor c. Alat pemanas

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd.