Penerapan Asas Black untuk Menyelesaikan Masalah Kalor

Panas atau kalor merupakan energi yang dapat berpindah dari satu benda ke benda lain. Cara perpindahan kalor dapat melalui tiga cara yaitu radiasi, konduski, atau konveksi. Kalor akan berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Perpindahan ini mengakibatkan terbentuknya suhu akhir yang sama antara kedua benda tersebut. Kondisi dimana sistem mencapai suhu yang sama dan berhenti untuk bertukar energi melalui panas disebut kesetimbangan termal.

Perhatikan sebuah peristiwa yang berhubungan dengan masalah kalor. Dua benda yang awalnya memiliki suhu berbeda akan memiliki suhu yang sama setelah beberapa waktu. Misalnya pada saat air teh, kopi, atau minuman panas lainnya yang perlahan – lahan menjadi dingin. Suhu minuman ketika awal dibuat memiliki derajat yang tinggi sehingga terasa panas. Setelah dibiarkan terbuka dan terhubung dengan suhu pada udara terbuka, minuman perlahan menjadi lebih dingin. Minuman menjadi lebih dingin dari semula karena suhu minuman terlepas dan menyesuaikan suhu ruangan. Peristiwa tersebut dijelaskan melalui sebuah prinsip yang disebut Asas Black.

Penerapan Azas Black untuk menyelesaikan masalah kalor banyak digunakan pada berbagai bidang teknologi dan industri. Apa bunyi hukum Azas Black? Bagaimana penerapan Asas Black untuk menyelesaikan masalah kalor? Sobat idschool dapat mencari tahu lebih lanjut melalui ulasan di bawah.

Baca Juga: Contoh – Contoh Perpindahan Panas Secara Konveksi

Bunyi Hukum Asas Black dan Rumus Kalor

Prinsip dalam perpindahan kalor mengikuti hukum kekekalan energi. Hukum kekekalan energi panas/kalor dirumuskan pertama kali oleh Joseph Black. Sehingga, hukum kekekalan energi panas dikenal sebagai Asas Black. Joseph Black merumuskan perpindahan kalor antara dua benda yang membentuk suhu termal/seimbang melalui persamaan berikut.

Cara menghitung nilai kalor (Q) dibedakan menjadi dua yaitu kalor jenis dan kalor laten. Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan 1 kg zat untuk menaikkan suhunya sebesar 1 ^oC. Kalor laten adalah kalor yang digunakan untuk mengubah wujud benda, seperti padat jadi cair atau cair jadi uap. Ada dua macam kalor laten yaitu kalor uap dan kalor lebur.

Persamaan untuk menghitung besarnya kalor jenis dan kalor laten diberikan seperti berikut.

• Kalor Jenis: Q = m × C × ∆T
• Kalor Laten:
  Uap: Q = m × U
  Lebur: Q = m × L

Keterangan:
Q = kalor yang diserap/dilepas (J)
m = massa benda (kg)
C = kalor jenis benda (J/kg^oC)
∆T = perubahan suhu (^oC)
U = kalor uap (J/kg)
L = kalor lebur (J/kg)

Baca Juga: Grafik Perubahan Wujud Zat dan Rumus untuk Mencari Kalor

Penerapan Persamaan Azas Black

Asas black menyatakan jumlah kalor yang dilepas oleh materi yang bersuhu lebih tinggi akan sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh materi yang suhunya lebih rendah. Bunyi tersebut disederhanakan melalui sebuah pernyataan bahwa kalor terima akan sama dengan kalor lepas suatu campuran. Persamaan Asas Black dapat digunakan untuk menyelidiki kalor yang terlibat dalam sebuah sistem.

Perhatikan penerapan persamaan Asas Black untuk memecahkan masalah kalor berikut.

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

Suhu keseimbangan campuran dapat diketahui menggunakan prinsip Asas Black. Ilustrasi yang sesuai dengan permasalahan di atas diberikan seperti grafik berikut.

Dari grafik terlihat bahwa kopi akan melepas kalor dan susu akan menyerap kalor.

Q_susu = Q_Kopi
m_susu · C_susu · ΔT_susu = m_kopi · C_kopi · ΔT_kopi
20 × 1 × (t – 5) = 230 × 1× (80 – t)
20(t – 5) = 230(80 – t)
20t – 100 = 18.400 – 230t
230t + 20t = 18.400 + 100
250t = 18.500
t = ^18.500/₂₅₀ = 74^oC

Berdasarkan hasil diperoleh suhu akhir campuran pada sistem tersebut adalah 74^oC.

Baca Juga: Perubahan Wujud Benda

Contoh Soal dan Pembahasan

Beberapa contoh soal di bawah dapat sobat idschool gunakan untuk menambah pemahaman terkait bahasan di atas. Setiap contoh soal yang diberikan disertai dengan pembahasan. Sobat idschool dapat menggunakan pembahasan tersebut sebagai tolak ukur keberhasilan mengerjakan soal. Selamat Berlatih!

Contoh 1 – Soal Penerapan Azas Black

Kalor 400 kJ diserap oleh es dengan massa 1 kg dan suhu –10^oC. Jika kalor jenis es 2.000 J/kg^oC dan kalor lebur es 340 kJ/kg maka massa air yang terbentuk setelah terjadi kesetimbangan termal adalah ….
A.1,0 kg
B.0,5 kg
C.0,4 kg
D.0,3 kg
E.0 kg

Pembahasan:

Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh informasi – informasi seperti berikut.

• kalor yang diserap/diterima es: Q_terima = 400 kJ
• massa es: m_es = 1 kg
• suhu es mula – mula: T₁ = –10^oC
• kalor jenis es: C_es = 2.000 J/kg C
• kalor lebur es: 340 kJ/kg = 340.000 J/kg

Menghitung kalor yang dibutuhkan agar seluruh es mencair:

Diketahui bahwa kalor yang di terima es adalah 400 kJ, dan dari perhitungan diperoleh bahwa kalor yang dibutuhkan es untuk melebur adalah 360 kJ. Kesimpulannya, karena kalor yang diterima/diserap es lebih besar dari kalor yang dibutuhkan untuk melebur maka seluruh es telah berubah menjadi air.

؞ Q_terima > Q_{total es untuk mencair} → semua massa es telah berubah menjadi air

Jadi, massa air yang terbentuk setelah terjadi kesetimbangan termal adalah m_air = m_es = 1,0 kg.

Jawaban: A

Contoh 2 – Penerapan Azas Black

Setengah kilogram es bersuhu –40°C dicampur dengan 1 kg air bersuhu 40°C. Kalor jenis 0,5 kal/g°C, kalor jenis air 1 kal/g°C, dan kalor lebur es 80 kal/g. Banyaknya es yang telah melebur pada keadaan akhir adalah ….
A. 1.000 gr
B. 675 gr
C. 625 gr
D. 375 gr
E. 325 gr

Pembahasan:

Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh informasi – informasi seperti berikut.

• massa es awal: m_es = 0,5 kg
• suhu es awal: T₁ = – 40°C
• massa air awal: m_air = 1 kg = 1.000 gr
• suhu air awal: T₂ = 40°C
• kalor jenis es: C_es = 0,5 kal/gr°C
• kalor lebur es: L = 80 kal/gr
• kalor jenis air: C_air = 1 kal/gr°C

Menghitung banyak es yang telah melebur (m_es’):
Q_lepas = Q_terima
m_air · c_air · ΔT = m_es · c_es · ΔT + m_es · L
1.000 × 1 × (40°C – 0°C) = 500 × 0,5 × (0°C – (–40°C) + m_es’ × 80
40.000 = 10.000 + 80m_es’
80m_es’ = 40.000 – 10.000
80m_es’ = 30.000
m_es’ = ^30.000/₈₀ = 375 gr

Jadi massa es yang melebur sebanyak 375 gram.

Jawaban: D

Baca Juga: Menghitung Suhu Akhir Campuran

Contoh 3 – Soal Penerapan Azas Black

Setengah kilogram es bersuhu –20^oC dicampur dengan sejumlah air bersuhu 20^oC, sehingga mencapai keadaan akhir berupa air seluruhnya bersuhu 0^oC. Massa air mula – mula adalah …. (kalor jenis es 0,5 kal/gr^oC; kalor lebur es 80 kal/gr; dan kalor jenis air 1 kal/gr^oC)
A.  1,5 gram
B.  2,25 gram
C.  3,75 gram
D.  4,50 gram
E.  6,00 gram

Pembahasan:

Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal diperoleh informasi – informasi seperti berikut.

• massa es: m_es = 0,5 kg = 500 gr
• suhu mula – mula es: T₁ = –20^oC
• suhu mula – mula air: T₂ = 20^oC
• suhu akhir campuran: 0^oC
• kalor jenis es: C_es = 0,5 kal/gr^oC
• kalor lebur es: L 80 kal/gr
• kalor jenis air: C_air = kal/gr^oC

Kondisi yang sesuai dengan soal diberikan pada grafik berikut.

Menghitung massa air mula – mula:
Q_lepas = Q_terima
m_air · C_air · ∆T₂ = m_es · C_es · ∆T₁ + m_es · L
m_air × 1× (20 – 0) = 500 × 0,5 × (0–(–20)) + 500 × 80
m_air × 1× 20 = 500 × 0,5 × 20 + 500 × 80
20m_air = 5.000 + 40.000
20m_air = 45.000
m_air = ^45.000/₂₀
m_air = 2.250 gram = 2,25 kg

Jadi, massa air mula – mula adalah 2,25 gram.

Jawaban: B

Demikianlah tadi ulasan penerapan Asas Black untuk menyelesaikan masalah kalor. Terimakasih sudah mengunjungi idschool(dot)net, semoga bermanfaat.

Baca Juga: Suhu dan Pemuaian

Sumber gini.com