Seperti dijelaskan di atas, kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Perpindahan kalor berhenti ketika suhu kedua benda sudah sama. Kondisi ketika dua benda memiliki suhu sama disebut kesetimbangan panas atau kesetimbangan termal. Selama ada perbedaan suhu maka kalor selalu berpindah hingga tercapai kesetimbangan panas. Pertanyaan selanjutnya adalah bagaimana cara kalor berpindah dari satu benda ke benda lainnya? Para ahli akhirnya menyimpulkan bahwa hanya ada tiga cara perpindahan kalor antara benda, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi (Gambar 11.19).

 

 

 

 

 

 

 

Konduksi

 

Konduksi adalah perpindahan kalor dari satu tempat ke tempat lain melalui benda. Tetapi selama kalor berpindah tidak ada bagian benda maupun atom atau molekul penyusun benda yang ikut berpindah.

 

Ketika ujung zat dipanaskan maka electron-elektron pada bagian tersebut bergerak lebih kencang (memiliki energy  kinetic lebih  besar). Akibatnya electron bermigrasi ke lokasi yang memiliki energy kinetic lebih rendah (bagian zat yang lebih dingin). Migrasi  tersebut  menyebabkan tumbukan  electron  yang  berenergi  tinggi  dengann  electron  yang  berenergi


 

rendah sehingga electron yang berenergi rendah menjadi berenergi tinggi yang direpresentasikan oleh kenaikan suhu. Begitu seterusnya sehingga electron yang berenergi tinggi tersebar makin jauh dari lokasi pemanasan. Peristiwa ini merepresentasikan perambatan kalor secara konduksi.

 

Penyebab lain peristiwa konduksi adalah getaran  atom zat  padat  di sekitar posisi setimbangnya. Ketika atom-atom di lokasi pemanasan bergetar lebih kencang maka atom-atom yang bertetangga ikut bergetar lebih kencang dari sebelumnya. Getaran kencang atom tetangga ini diikuti oleh tetangga yang lebih jauh. Begitu seterusnya sehingga terjadi perpindahan getaran atom. Pada akhirnya semua atom dalam zat bergetar lebh kencang. Ini merepresentasikan fenomena perambatan kalor. Karena tidak ada atom yang berpindah (hanya getaran yang lebh kencang saja yang berpindah) maka ini pun merupakan peristiwa konduksi.

 

Perpindahan kalor secarakondusksi akibat migrasi electron hanya terjadi pada material logam (material yang mengandung lektron bebas). Perpindahan kalor secara konduksi akibat getaran aom atom dapat terjadi pada semua zat padat. Namun, perpindahan kalor secara konduksi akibat migrasi electron jauh lebih mudah daripada akibat perpindahan getaran atom. Oleh karena itulah peristiwa konduksi pada logam jauh lebih mudah daripada peristiwa konduksi pada material bukan logam (isolator). Pada material isolasor juga terjadi peristiwa konduksi (akibat perpindahan getaran atom)  namun angat lambat sehingga kita kataka material tersebut merupakan penghambat aliran kalor. Jika ujung kaca d panaskan maka ujung lain akan ikut panas walaupun setelah berselang cukup lama. Ini adalah bukti peristiwa konduksi pada bahan bukan logam.

 

Perpindahan kalor secara konduksi ditemukan di zat padat. Contohnya, ketika salah satu ujung besi dipanaskan maka ujung lainnya akan ikut panas. Ini diakibatkan adanya kalor yang berpindah dari ujung yang dipanaskan ke ujung yang dingin. Di sini tidak ada bagian besi yang berpindah. Ketika bagian dasar panci dipanaskan maka bagian atas atau ujung panci ikut panas. Ini terjadi karena perpindahan kalor dari bagian dasar panci ke bagian lainnya. Tidak ada bagian panci yang bergerak. Jika kita mengaduk teh panas dengan sendok yang dingin maka lama-lama pegangan sendok menjadi panas. Terjadi aliran kalor dari ujung sendok yang bersentuhan dengan teh dengan ujung sendok yang dipegang tangan.

 

Cepat perambatan kalor dalam zat padat berbeda untuk zat yang berbeda. Ada zat yang sangat mudah memindahkan kalor dan ada yang sangat sulit. Zat yang mudah memindahkan kalor contohnya besi, tembaga, aluminium. Semua logam termasuk zat yang mudah memindahkan kalor. Zat semacam ini disebut juga konduktor kalor. Umumnya konduktor kalor juga merupakan konduktor listrik. Artinya jika zat mudah menghantar kalor maka zat tersebut juga mudah menghantar listrik.

 

Contoh zat yang sulit menghantar kalor adalah kaca, karet, kayu, batu. Zat yang sulit menghantarkan kalor juga disebut isolator kalor. Zat padat yang sulit menghantarkan kalor umumnya juga sulit menghantarkan listrik. Ketika


 

satu ujung zat ini dipanaskan maka diperlukan waktu yang sangat lama bagi ujung lain untuk panas.

 

Ukuran kemampuan zat menghantar kalor dikenal dengan konduktivitas panas. Laju konduksi kalor dalam bahan memenuhi persamaan

Konveksi

 

Cara kedua perambatan kalor adalah konveksi. Pada cara ini kalor merambat karena perpindahan molekul atau atom penyusun benda. Ketika satu bagian benda menerima kalor maka atom-atom penyusunnya bergerak lebih cepat. Akibatnya, atom-atom tersebut terdorong (berpindah) ke lokasi di mana atom-atom masih bergetar lambat. Perpindahan atom yang telah bergerak cepat membawa energi kalor. Dengan demikian terjadi perpindahan kalor dari lokasi yang bersuhu tinggi ke lokasi yang bersuhu rendah.

 

Konveksi hanya terjadi di dalam benda yang memiliki atom atau molekul yang dapat bergerak bebas. Benda seperti ini adalah fluida yang terdiri dari zat cair dan gas. Jadi, konveksi terjadi dalam zat cair atau gas. Ketika air di dalam panci dipanaskan maka bagian air yang menerima panas adalah bagian yang bersentuhan dengan panci, khususnya bagian dasar panci. Namun, lama-lama seluruh bagian air menjadi panas karena adanya aliran molekul air dari bawah ke atas. Aliran tersebut mendesak air yang dingin yang berada di atas untuk turun sehingga mengalami pemanasan.

ketika yang dipanaskan. Fluida yang dipanaskan akan memuai. Karena massa tidak berubah maka massa jenis fluida mengecil. Akibatnya fluida tersebut akan bergerak ke atas. Benda yang massa jenis lebih kecil akan berada di lapisan atas dan yang massa jenis besar akan berada di lapisan bawah. Jika air dan minyak dicampur maka minyak pada akhirnya berada di lapisan atas karena massa jenisnya lebih kecil daripada air.

Fluida yang berada di atas dan bersuhu lebih rendah (memiliki massa jenis lebih besar) akan bergerak turun mengisi tempat kosong  yang ditinggalkan fluida panas. Akibatya terjadi pergantian posisi fluida (Gambar 11.21). Yang panas di atas dan yang dingin di bawah. Fluida dingin yang baru sampai di bawah mengalami pemanasan sehingga massa jenisnya mengecil dan selanjutnya bergerak ke atas. Fluida yang berada di atas dan memiliki suhu lebih rendah turun mengisi ruang yang ditinggalkan di dasar panci. Begitu seterusnya sehingga terjadi aliran terus-menerus fluida dari dasar panci ke atas. Dan pada akhirnya semua bagian fluida menacapai suhu yang sama.

 

Fenomena konveksi berperan sangat penting dalam kehidupan manusia. Aliran udara atau angin adalah peristiwa konveksi. Udara di tempat yang bersuhu tinggi mengalami penurunan massa jenis akibat pemuaian volum sehingga mengalir ke atas. Tempat kosong yang ditinggalkan akan diisi oleh udara dingin yang memiliki massa lebih kecil dari atas samping yang memiliki massa jenis lebih besar sehingga terjadi angin arah mendatar (Gambar 11.22).

Tiap kali terjadi kebakaran, petugas pemadam kebakaran sering kesulitan memadamkan api karena angin cukup kencang. Harap diketahui bahwa jika terjadi kebakaran pasti timbul angin kencang. Udara di tempat kebakaran mengalami pemanasan sehingga terjadi aliran  konveksi ke atas secara cepat. Lokasi tempat kebakaran mengalami kekosongan udara. Udara dingin dari sekeliling cepat mengalir mengisi kekosongan tersebut sehingga timbul angin cukup kencang (Gambar 11.23).


 

 

Gambar 11.23.   Kebakaran sering memicu munculnya angin kencang dari sisi menuju ke lokasi kebakaran. Ini adalah fenomena konveksi (***).

 

Tempat keluar magma

(kawah gunung api)

 

 

 

 

 

 

 

 

Lebih dingin                    Lebih dingin

 


Konveksi


Konveksi


 


Lebih panas


Lebih panas


 

 

 

Contoh 11.24. Konveksi magna di dalam bumi (peter-mulroy.squarespace.com).

 

 

Keluarnya magma dari dalam bumi menuju ke permukaan melalui gunung api juga adalah proses konveksi. Inti bumi memiliki suhu yang tinggi. Suhu yang tinggi tersebut mencairkan material batuan di dalam bumi sehingga dapat mengalir. Bagian bawah cairan memiliki suhu lebih tinggi  sehingga massa jenisnya lebih kecil. Massa jenis yang kecil menyebabkan cairan tersebut bergerak ke atas dan bisa keluar ke permukaan bumi melalui lubang gunung api (Gambar 11.24).

 

 

Radiasi

Bentuk ketiga perpindahan kalor adalah  radiasi. Radiasi adalah perpindahan kalor tanpa melalui medium. Ruang antara matahari dan bumi


 

kebanyakan hampa. Tetapi panas matahari dapat mencapai bumi. Ini salah satu bukti bahwa kalor dapat merambat tanpa perlu medium.

 

Lampu pijar mengandung filamen di tengahnya (kawat kecil). Ruang antara filamen adan kaca lampu adalah hampa. Ketika lampu disambung ke tegangan listrik PLN maka filamen memanas. Suhunya bisa mencapai 5.000 oC. Tetapi panas dapat dirasakan sampai ke kaca lampu dan bisa juga dirasakan sampai di luar (Gambar 11.25). Ini menunjukkan  bahwa  panas filamen dapat merambat melalui ruang hampa dalam lampu hingga mencapai lokasi di luar lampu.

 

Udara   adalah   penghantar      panas   yang    tidak   baik.     Ketika   kita menyalakan api unggun maka dalam sekejap kita yang duduk sekitar setengah meter dari api unggun merasakan panas (Gambar 11.26). Ini bukan karena panas merambat melalui udara, tetapi panas merambat melalui radiasi. Kalau menunggu panas merambat melalui udara maka diperlukan waktu yang lama bagi kita yang duduk setengah meter dari api unggun untuk merasakan panas.

 

Pertanyaan berikutnya adalah, mengapa panas bisa merambat secara radiasi? Jawabannya adalah panas tersebut dibawa oleh gelombang elektromagnetik (Gambar 11.27). Setiap benda memancarkan gelombang elektromagnetik. Energi gelombang yang dipancarkan makin besar jika suhu benda masing tinggi. Salah satu komponen gelombang yang dipancarkan tersebut adalah gelombang inframerah yang membawa sifat panas.  Makin tinggi suhu benda maka makin banyak pula energi gelombang inframerah yang dipancarkan sehingga makin panas benda tersebut terasa pada jarak tertentu

 

 

 

Ruang hampa

 

 

 

 

 

 

 

Filamen bersuhu tinggi

 

 

 

 

Gambar 11.25. Ruang antara filamen dan adalah hampa. Panas dari filamen dapat mencapai kaca lampu adalah bukti bahwa panas dapat merambat melalui ruang hampa.  Ini adalah peristiwa radiasi panas (***).


 

 

Gambar 11.26. Panas api unggun dengan segera dirasakan oleh orang yang duduk di sekeliling api unggun. Panas tersebut merambat melalui radiasi, bukan konduksi atau konveksi melalui udara antara orang dan api unggun (shabrinat.blogspot.com).

 

 

Gambar   11.27.  Panas   dapat   merambat   secara   radiasi   karena   panas   tersebut  dibawa   oleh   gelombang elektromagnetik (sciencelearn.org.nz)

 

 

11.17 Pemanfaatan Sifat Kalor

Setelah mengetahui sejumlah sifat kalor maka para ahli memikirkan pemanfaatannya bagi manusia. Berikut ini akan dijelaskan sejumlah pemanfaatan yang kita ketahui selama ini.

 

 

Cairan Radiator

 

Cairan radiator digunakan pada kendaraan untuk mendinginkan mesin. Cairan ini berfungsi untuk menyerap panas dari mesin dan melepas panas ke


 

udara. Dengan cara seperti ini maka mesin kendaraan tidak terlampau panas. Cairan radiator disirkulasikan melewati mesin yang mengalami pembakaran, dan sesampainya di bagian radiator, cairan tersebut mengalami pendinginan oleh aliran udara dari depan mobil.

 

Bahan utama cairan radiator adalah air. Mengapa air?  Karena  air adalah zat cair yang memiliki kalor jenis besar. Dengan kalor jenis besar maka walaupun kalor yang diserap air dari mesin cukup besar, kenaikan suhu air tidak terlampau tinggi. Ingat rumus, Q = mcDT, atau DT = Q/mc. Karena c besar maka meskipun Q besar, kenaikan suhu DT tidak terlalu besar. Air radiator biasa dilengkapi dengan zat antikarat sehingga selama bersirkulasi tidak terlalu cepat menimbulkan karat pada pipa aliran. Maka dari itu banyak cairan radiator yang berwarna, seperti hijau, biru, atau kuning. Zat warna tersebut adalah zat antikarat.

 

Prinsip kerja radiator adalah air disirkulasi antara radiator dan mesin kendaraan. Cairan dari bagian radiator mengalir ke mesin yang memiliki suhu tinggi sehingga menyerap sebagian kalor mesin tersebut. Akibatnya suhu air meningkat dan suhu mesin turun. Air yang sudah panas mengalir kembali ke bagian radiator. Ketika mobil sedang bergerak  maka bagian  radiator akan tertiup oleh angin (yang memiliki suhu rendah) sehingga kalor dalam air yang baru sampai ke radiator dilepas ke udara. Suhu air menjadi turun. Selanjutnya air tersebut mengalir kembali ke mesin dan menyerap kembali  kalor  dari mesin. Begitu sampai ke radiator maka panas kembali dilepas ke udara. Radiator memiliki bentuk seperti sekarang untuk memudahkan pelepasan panas ke udara. Gambar 11.28 adalah ilsutrasi pemasangan radiator pada mobil dan Gambar 11.29 adalah contoh radiator dan pengisian cairan ke dalam radiator.

 

 

 

 

 

 

Gambar 11.28 Ilustrasi pemasangan radiator pada mobil (autorepairshopsanjose.com)


 

 

 

 

 

Memasukkan cairan radiator

 

 

 

 

 

 

Gambar 11.29.  Bentuk radiator dan memasukkan cairan pendingin ke dalam radiator mobil (5osial.wordpress.com)

 

 

Bagaimana proses pelepasan panas di radiator jika kendaraan dalam keadaan diam sehingga tidak ada udara yang mengalir melalui bagian radiator? Tidak adanya udara yang mengalir menyebabkan pelepasan panas menjadi tidak efektif sehingga air di radiator tidak mengalami penurunan suhu yang berarti. Dan ketika kembali mengalir ke mesin maka hanya sedikit kalor yang dapat diserap dari mesin. Ini dapat menyebabkan mesin terlalu panas. Untuk mengatasi kondisi ini maka mobil dilengkapi dengan kipas angin yang dipasang menghadap radiator. Jika kendaraan diam, maka hembusan udara oleh kipas angin itulah yang mendinginkan radiator.

 

 

 

Comments powered by CComment