Konstanta Joule

Kalor

   2

KONSTANTA JOULE

 

I. Tujuan Percobaan

   Menentukan besarnya konstanta joule.

II. Peralatan 
 1. Kalorimeter listrik,Catu daya DC.
 2. Amperemeter,Voltmeter. 
 3. Hambatan geser.
 4. Termometer,Stopwatch.

III. Teori

     Bila kumparan pemanas suatu kalorimeter listrik  dialiri arus listrik, maka panas yang  ditimbulkannya  akan  diterima oleh air, termometer dan tabung kalorimeter itu sendiri. Tara kalor listrik didefinisikan sebagai pembanding antara energi listrik yang digunakan dengan panas yang ditimbulkan. 

J = W/H = V.I.t/(Na + Ma + Ca).T Joule/kalori D 

dengan :

 Na    : Nilai air kalorimeter  

 V      : Tegangan listrik (Volt)  

 t        : Waktu (detik)   

T    : Perubahan suhu dalam oC. D 

 Ca     : Kalor jenis air  

 Ma    : Massa air dalam kalorimeter

 I        : Arus listrik (Ampere).

Teori tambahan

     Konstanta Joule merupakan percobaan Joule yang menemukan kesamaan (ekivalensi) antara kerja mekanikal terhadap jumlah perpindahan panas (mechanical equivalent of heat). 

Semua energi, dalam SI memiliki satuan yang sama yaitu Joule (J) dan dimensinya adalah [M][L]²[T]^-2.

Satuan kalor jenis : J/(kg k) = J kg-1 k-1.

Dimensi kalor : [L]²[T]^-2[θ]^-1

Hasil percobaan Joule, 1 kalori perpindahan panas (energi termal) = 4,184 N-m kerja mekanikal. Maka, konstanta Joule adalah 4,184 J/kalori karena 1 N-m dikenal juga sebagai Joule(J).

Kalorimeter

     Kalorimeter merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor yang terlibat dalam suatu perubahan atau reaksi kimia.

1. Prinsip kerja kalorimeter 

    Prinsip kerja dari kalorimeter adalah mengalirkan arus listrik pada kumparan kawat penghantar           yang dimasukkan kedalam air suling.

2. Jenis-jenis kalorimeter

    a. Kalorimeter bom

         Kalorimeter bom merupakan kalorimeter yang khusus digunakan untuk menentukan kalor dari            reaksi-reaksi pembakaran.

    b. Kalorimeter sederhana

         Kalorimeter sederhana merupakan kalorimeter yang terbuat dari gelas stirofom yang biasanya              dibuat untuk mengukur kalor reaksi yang reaksinya berlangsung pada fase larutan.  

Kalor

     Kalor merupakan bentuk energi yang mengalir atau berpindah karena adanya perbedaan temperatur atau suhu. Besar kenaikan suhu sebanding dengan banyaknya kalor yang diterima dan berbandng terbalik dengan massa zat dan kalor jenis zat.

Sesuai persamaan Q = m.c.TD

dengan :

             Q : Jumlah kalor yang diterima

             m : Massa zat

             c  : Kalor jenis benda

           T: Perubahan suhu.D

Kalor jenis yaitu banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu 1 kg zat tersebut sebesar 1 0C.

Kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu kalorimeter sebesar 1 0C pada air dengan massa 1gram disebut Tetapan kalorimeter.

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis :

1. Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu,

2. Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten). Persamaan yang digunakan dalam           kalor laten ada 2 macam. 

    Q = m.u dan Q = m.l

   dengan : 

               Q : Jumlah kalor yang diterima

               m : Massa zat

                u : Kalor uap (J/kg)

                l  : Kalor lebur (J/kg).

Kalor mempunyai 2 konsep yang hampir sama tetapi berbeda, yaitu Kapasitas kalor (H) dan Kalor jenis (c).

Kapasitas kalor merupakan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda sebesar 1 0C.

H = Q/(t2-t1)

Kalor jenis merupakan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 0C.

c = Q/m.(t2-t1)   

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru.

H = m.c

Termodinamika

     Termodinamika merupakan kajian tentan kalor (panas) yang berpindah. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada disekeliling (diluar) sistem disebut lingkungan.

Hukum 1 termodinamika

     Sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum 1 termodinamika. Secara matematis, hukum 1 termodinamika diuliskan sebagai.

Q = Q + Du  

dimana :

            Q  : Kalor

            W : Usaha

           Du : Perubahan energi dalam.

Secara sederhana, hukum 1 termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.

"Jika suatu benda (misalnya kerupuk) dipanaskan (digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (kerupuk) akan mengembang dan bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (kerupuk) akan bertambah panas yang berarti mengalami perubahan energi dalam Du.

Kapasitas panas

     Kapasitas panas merupakan jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah temperatur suhu pada 1 0C. 

Arus listrik

     Arus listrik merupakan mengalirnya elektron secara terus menerus dan berkesinambungan pada konduktor akibat perbedaan jumlah elektron pada beberapa lokasi yang jumlah elektronnya tidak sama. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

I = Q/t (ampere) 

dengan : 

            I : Besarnya arus listrik yang mengalir (ampere),

           Q : Besarnya muatan kistrik (coloumb),

            t  : Waktu (detik).

Amperemeter

     Amperemeter merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik dalam rangkaian tertutup.

Tegangan listrik

     Tegangan listrik merupakan usaha (energi) untuk memindahkan muatan listrik.

Perumusan secara matematis ditulis sebagai berikut.

dengan :

            V : Tegangan listrik (volt,Joule/Coloumb),

           W : Usaha/energi (Joule),

            Q : Muatan listrik (Coloumb).

Voltmeter

     Voltmeter merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengukur besarnya tegangan listrik dalam suatu rangkaian. Voltmeter disusun secara pararel.

Saklar

     Saklar merupakan suatu benda yang digunakan sebagai penghubung dan pemutus arus listrik. Dalam satu rangkaian biasanya dipasang sakering untuk mencegah terjadinya korsleting.

Hukum ohm

     Pada dasarnya, bunyi dari hukum ohm adalah :

"Besar arus listrik (I) yang mengalir melalui sebuah penghantar atau konduktor akan berbanding lurus dengan beda potensial/tegangan (V) yang diterapkan kepadanya dan berbanding terbalik dengan hambatannya (R)".

Secara matematis, hukum ohm dapat dirumuskan menjadi persamaan sebagai berikut.

V = I.R|
I  = V/R

  R = V/I    

dimana : 

           V : Tegangan listrik (volt),

            I : Kuat arus (ampere),
           R : Hambatan (Ω)

Konduktor

     Konduktor merupakan bahan atau zat yang dapat dengan mudah dilalui arus listrik, karena elektron-elektronnya mudah bergerak.

Contoh : Aluminium, tembaga, perak, dan lain sebagainya.

Isolator

      Isolator merupakan bahan atau zat yang sukar atau tidak dapat dilalui arus listrik, karena elektron bebas pada isolator sukar bergerak.

Contoh : Kayu, karet, kaca, dan lain sebagainya.

Semikonduktor

     Semikonduktor memiliki daya hantar listrik diantara konduktor dan isolator. Jika suhu semakin tinggi, maka hambatan jenis bahan akan bertambah sehingga sukar mengalirkan arus listrik.

Contoh : Arsen, silikon, germanium f.

Resistor

     Resistor merupakan komponen elektrolit dua kutub yang didesain untuk mengatur tegangan listrik dan arus listrik. Karakteristik dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan.

 1. Resistor tetap

     Resistor tetap merupakan resistor yang terbuat dari padatan karbon, lapisan logam tipis, atau                lilitan kawat. Ciri dari resistor tetap yaitu memiliki hambatan tertentu, dan besar hambatan                  ditentukan dari kode warna resistor.

2. Resistor variabel (reostat)

    Resistor variabel merupakan Resistor yang digunakan untuk mengatur besar kuat arus dalam suatu     rangkaian. Ciri dari resistor variabel yaitu memiliki nilai hambatan yang berubah-ubah.

   

    Contoh reostat : 

• Hambatan geser
  Hambatan geser merupakan reostat yang berbentuk satu silinder berbahan isolatot yang dililiti bahan konduktor. Hambatan geser berfungsi untuk menghasilkan nilai hambatan yang kecil namun dapat diubah-ubah.   
• Potensiometer
  Potensiometer merupakan reostat yang terbuat dari bahan yang hambatan jenisnya besar, sehingga nilai hambatan yang dapat diberikan besar meskipun bentuk dan ukuran fisik potensiometer kecil. Potensiometer berfungsi sebagai pengatur volume pada radio dan tape.
• Termistor
  Termistor merupakan reostat yang sangat peka terhadap perubahan suhu. Termistor digunakan sebagai komponen pemadam kebakaran.
  Ada 2 macam termistor :
  a. Termistor koefisien suhu positif (PTC). Jika suhu PTC naik, maka hambatan bertambah.
  b. Termistor koefisien suhu negatif (NTC). Jika suhu NTC naik, maka hambatan berkurang.  
• Fotoresistor
  Fotoresistor merupakan reostat yang peka terhadap cahaya, dan nilai hambatannya berubah sesuai dengan besar kecilnya intensitas cahaya yang mengenainya.

IV. Cara kerja

     A. Mencari nilai air kalorimeter 

         1. Menimbang kalorimeter kosong dengan pengaduknya (Mk),

         2. Mengisi dengan air kira-kira 1/4 bagian, lalu menimbang lagi (Mk + a),

         3. Mencatat temperatur kalorimeter (+),

         4. Mendidihkan air dalam beaker glass, mencatat temperatur air (tap),

         5. Menambahkan air mrndidih kedalam kalorimeter sampai jumlah air 3/4 bagian.

         6. Mengaduk-aduk dan memperhatikan kenaikan temperaturnya. Mencatat temperatur                       pada saat setimbang (saat tempetarur tidak naik lagi) (ts),

         7. Menimbang lagi seluruhnya (Mk + a + p) = Mtotal.

    

     B. Mencari konstanta Joule   

          1. Menimbang kalorimeter kosong,

          2. Memasukkan air kira-kira 1/8 bagian dan menimbang lagi,

          3. Menyusun rangkaian percobaan sesuai dengan gambar 1,

          4. Menentukan kuat arus, menjaga agar tetap stabil dengan tahanan (hambatan geser),

          5. Mencatat temperatur awal air didalam kalorimeter,

          6. Mencatat kenaikan temperatur air setiap 2 menit untuk 10 kali pengamatan. Dan                             mencatat juga tegangannya,
          7. Menanyakan pada asisten kebenaran dari rangkaian saudara sebelum memulai percobaan.

V. Tugas pendahuluan

    1. Apa yang dimaksud dengan konstanta joule ?

        Jawab :

        Konstanta Joule merupakan percobaan Joule yang menemukan kesamaan (ekivalensi) antara               kerja mekanikal terhadap jumlah perpindahan panas (mechanical equivalent of heat).

    2. Carilah satuan dan dimensi dari : Energi listrik, Energi kalor, Kalor jenis, dan Konstanta joule ! 

        Jawab :
        a. Energi listrik

            Satuan : Joule

           Dimensi : ML²T^-2

      

          b. Energi kalor

            Satuan : kalori / joule

            Dimensi : ML²T^-2

        c. Kalor jenis

            Satuan : kalori / joule

            Dimensi : L²T²θ^-1

        d. Konstanta joule

            Satuan : joule

            Dimensi : ML²T^-2

3. Jelaskan fungsi dari : Hambatan geser dan kalorimeter ! 

        Jawab :

        a. Fungsi dari hambatan geser yaitu untuk menghasilkan nilai hambatan yang kecil namun                       dapatdi ubah-ubah.

        b. Fungsi dari kalorimeter yaitu untuk mengukur jumlah kalor yang terlibat dalam                                     suatu perubahan atau reaksi kimia.

         

     4. Peristiwa perubahan apa saja yang terjadi pada percobaan konstanta joule ?

        Jawab :

        Pada kalorimeter terjadi perubahan energi dari energi listrik menjadi energi, sesuai dengan                   hukum kekekalan energi yang menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat                       dimusnahkan. Pada prinsip kerja kalorimeter adalah mengalirkan arus listrik pada kumparan               kedalam air. Pada waktu bergerak pada kawat penghantar(akibat perbedaan potensial) pembawa         muatan bertumbukan dengan atom logam dan kehilangan energi. Akibatnya, pembawa muatan           bertumbukan dengan kecepatan konstanta yang sebanding dengan kuat medan listriknya.                     Tumbukan oleh pembawa muatan akan menyebabkan logam yang dialiri arus listrik                             memperoleh energi, yaitu energi kalor/panas.

    5. Jelaskan proses terjadinya panas pada sebuah kumparan listrik yang dilalui arus listrik !

        Jawab : 

        Panas akan timbul dikarenakan kawat yang dilalui arus listrik : "memiliki tahanan/resistansi                 (ohm), dimana resistansi yang dimiliki kawt tersebut tergantung pada tahanan jenisnya".                     Diameter kawat kumparan tidak sebanding dengan beban arus listrik yang ditanggung kumparan         tersebut,dll.

    6. Jelaskan apa yang dimaksud dengan "Tara kalor mekanik" dan "Tara kalor listrik".

        Jawab :

        a. Tara kalor mekanik merupakan kesetaraan antara satuan energi mekanik dengan energi panas               (kalor).

        b. Tara kalor listrik merupakan perbandingan antara energi listrik yang diberikan                                     terhadap panas yang dihasilkan.