Azas Black (Hukum Kekekalan Energi Untuk Kalor)

Mungkin Anda pernah membuat teh manis dan terlalu panas. Agar bisa diminum maka harus didinginkan terlebih dahulu. Untuk mendinginkan cukup menambahkan air dingin atau es kedalam teh tersebut. Kejadian menurunkan suhu zat yang suhunya tinggi dengan cara mencampurkan zat yang suhunya rendah ternyata sangat sesuai dengan konsep fisika.

Setiap dua benda atau lebih dengan suhu berbeda dicampurkan maka benda yang bersuhu lebih tinggi akan melepaskan kalornya, sedangkan benda yang bersuhu lebih rendah akan menyerap kalor hingga mencapai keseimbangan yaitu suhunya sama. Dalam sistem terisolasi, pelepasan dan penyerapan kalor ini besarnya imbang. Sejumlah kalor yang hilang dari zat yang bersuhu tinggi sama dengan kalor yang didapat oleh zat yang suhunya lebih rendah. Kalor yang dilepaskan sama dengan kalor yang diserap sehingga berlaku hukum kekekalan energi. Pada sistem tertutup, kekekalan energi panas (kalor) ini dapat dituliskan sebagai berikut.

Q_lepas = Q_terima

Persamaan tersebut berlaku pada pertukaran kalor, yang selanjutnya disebut Asas Black. Hal ini sebagai penghargaan bagi seorang ilmuwan dari Inggris bernama Joseph Black (1728 - 1799). Pertukaran energi kalor merupakan dasar teknik yang dikenal dengan nama kalorimetri. Untuk melakukan pengukuran kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat digunakan kalorimeter. Salah satu kegunaan yang penting dari kalorimeter yakni untuk  mengukur kalor jenis suatu zat.

Kalorimeter sederhana

Untuk memantapkan pemahaman Anda tentang hukum kekekalan energi untuk kalor, silahkan simak contoh soal di bawah ini.

Contoh Soal 1

50 gr air dengan suhu 20°C dicampur dengan 100 gr air teh bersuhu 80°C. Berapakah suhu akhir campuran setelah terjadi kesetimbangan termal?

Penyelesaian:

m_air = 50 gr

T_air = 20°C

m_teh = 100 gr

T_teh = 80°C

Q_lepas = Q_terima

m_teh.c_teh.ΔT = m_air.c_air.ΔT

karena kalor jenis air sama dengan kalor jenis air teh maka persamaannya menjadi:

m_teh.(T_teh – T) = m_air.(T – T_air)

100.(80 – T) = 50(T – 20)

8000 – 100T = 50T – 100

8100 = 150T

T = 8100/150

T = 54°C

Contoh Soal 2

Air bermassa 300 gr  dengan suhu 4 °C dicelupkan besi 2000 gr dengan suhu 90 °C. Jika kalor jenis air = 1,0 kal/gr°C dan kalor jenis besi = 0,10 kal/gr°C, maka tentukan suhu kesetimbangannya!

Penyelesaian:

m_air = 300 gr

T_air = 4°C

c_air = 1,0 kal/gr°C

m_besi = 2000 gr

T_besi = 90°C

c_besi = 0,10 kal/gr°C

Q_lepas = Q_terima

m_besi.c_besi.ΔT = m_air.c_air.ΔT

2000.0,1.(90 – T) = 300.1,0.(T – 4)

18000 – 200T = 300T – 1200

19200 = 500T

T = 19200/500

T = 38,4°C

Contoh Soal 3

Dalam gelas berisi 200 cc air 40 °C kemudian dimasukkan 40 gram es – 10 °C. Jika kapasitas kalor gelas = 20 kal/°C, kalor jenis air =  1 kal/gr°C, kalor jenis es = 0,5 kal/gr°C, dan kalor lebur es = 80 kal/gr, maka berapakah suhu seimbangnya?

Penyelesaian:

m_air = 200 gr

T_air = 40 °C

C_gelas = 20 kal/°C

T_gelas = T_air

m_es = 40 gr

c_air = 1 kal/gr°C

c_es = 0,5 kal/gr°C

T_es = – 10 °C

L_es = 80 kal/gr

Dari massa dan suhu air dibandingkan dengan massa dan suhu es dapat diprediksikan bahwa suhu akhir campuran akan melebihi 0 °C. Pada proses tersebut kalor yang diterima sebagai berikut.

Q_terima = m_es.c_es.ΔT + m_es.L_es + m_es.c_air.ΔT

Q_terima = 40.0,5.10 + 40.80 + 40.1.(T – 0)

Q_terima = 200 + 3200 + 40T

Q_terima = 3400 + 40T

Sedangkan kalor yang dilepaskan sebagai berikut.

Q_lepas = C_gelas.ΔT + m_air.c_airΔT

Q_lepas = 20.(40 – T) + 200.1.(40 – T)

Q_lepas = 800 – 20T + 8000 – 200T

Q_lepas = 8800 – 220T

Pada proses tersebut berlaku azas Black sebagai berikut.

Q_terima = Q_lepas

3400 + 40T = 8800 – 220T

40T + 220T= 8800 – 3400

260T = 5400

T = 20,8°C