Tara Mekanik Panas

TEORI DASAR

Kalor  merupakan energi yang ditransfer dari satu benda kebenda lain karena adanya perbedaan suhu. Sedangkan panas merupakan sebuah sifat, panas merupakan akibat dari energi kalor tersebut yang dapat kita rasakan.

Kalor dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lainnya dengan tiga cara, yaitu :

1. Konduksi

Merupakan proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel. Pada konduksi, energi tersebut ditransfer dari molekul atau elektron dengan energi kinetik yang lebih tinggi ke yang mempunyai energi kinetik yang lebih rendah ketika mereka bertumbukan. Konduksi non logam adalah perpindahan dari satu partikel yang sedang bergetar ke partikel lainnya melalui tumbukan. Sedangkan konduksi logam adalah perpindahan kalor melalui elektron-elektron bebas.

Berdasarkan kemampuan menghantar kalor, zat dibagi atas dua golongan besar, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor adalah zat yang mudah menghantarkan kalor. Contohnya adalah logam, karena elektron-elektron bergerak bebas sehingga merupakan konduktor yang baik. Sedangkan isolator adalah zat yang sukar menghantarkan kalor. Contohnya adalah kayu.

2. Konveksi

Merupakan perpindahan kalor yang dilakukan oleh pergerakan fluida akibat perbedaan massa jenis atau transfer energi dengan cara perpindahan massa menempuh jarak yang cukup jauh. Contoh konveksi dalam keseharian adalah arus konveksi udara yang membawa asap bergerak ke atas, sistem ventilasi udara, angin laut dan angin darat.

3. Radiasi

Merupakan perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik, sehingga radiasi dapat melalui ruang hampa. Permukaan yang hitam dan kusam merupakan penyerap dan pemancar kalor yang baik, sedangkan permukaan putih dan mengkilap merupakan penyerap dan pemancar kalor yang buruk.

              Energi adalah suatu kuantitas yang tercipta dengan sendirinya, yang dapat berubah bentuk atau berpindah dari suatu system ke system lainnya, tetapi jumlah keseluruhannya adalah tetap.

Energi ada bermacam-macam, seperti energi mekanik, listrik, cahaya, kinetik, energi panas dll. Dan perpindahan energi itu dapat terjadi dari energi listrik ke energi mekanik, energi mekanik menjadi energi panas dan lain sebagainya. Dalam percobaan kali ini transfer energi yang kita amati yang terjadi pada pesawat schurholtz adalah transfer energi dari energi mekanik ke energi panas. Perpindahan energi  yang terjadi karena perbedaan temperature disebut dengan perpindahan kalor, dan jika perpindahan tersebut terjadi karena sebuah gaya yang membuat pergeseran posisi benda, perpindahan itu disebut kerja mekanik.

          Usaha mekanik dan panas keduanya merupakan bentuk energi. Bentuk kedua energi ini biasanya dinyatakan dalam satuan Joule (J) untuk energi mekanik dan kalori (kal) untuk energi yang dihasilkan dalam bentuk panas. Sehingga perlu adanya penyetara antara kedua besaran energi tersebut yang disebut Tara mekanik panas, tara mekanik panas merupakan suatu pembanding antara mekanik dan panas. Artinya yaitu suatu pembanding dari satu kalori yang bekerja dalam setiap satu satuan usaha yang ditimbulkan karena peristiwa mekanik.

Untuk menentukan tara mekanik panas dari suatu bahan kita dapat menggunakan prisip kerja pesawat Schurholtz. Alat ini berprinsipkan pada gesekan suatu benda terhadap benda lain yang mengakibatkan panas. Energi mekanik dihasilkan dari perputaran engkol yang dihubungkan dengan kalorimeter, yang akan menghasilkan gesekkan dengan pita nilon yang dihubungkan dengan beban. Beban disini berfungsi agar pita nilon, menempel pada kalorimeter yang berputar, sehingga terjadi gesekkan yang cukup menimbulkan panas. Pegas digunakan agar pita nilon dapat bergerak bolak - balik saat engkol diputar dan menghasilkan gesekkan dengan kalorimeter. Ketika pita nilon berputar mengikuti arah putaran kalorimeter, pegas tertarik merenggang, pegas mempunyai gaya pulih yang menyebabkan pita nilon akan tertarik ke arah sebaliknya ke arah putar kalorimeter (kembali pada keseimbangannya), yaitu saat pegas merapat. Gesekkan  pita nilon dengan kalorimeter akan menghasilkan panas pada kalorimeter, dan jika cukup panas akan menimbulkan panas pada kalorimeter, sesuai dengan asas black, bahwa kalor yang diterima kalorimeter sama dengan kalor yang dilepas oleh pita nilon. Bahan tabung kalorimeter disini, memakai alumunium dan tembaga.

Katrol, pd engkolnya diisi termometer,

Pada Pesawat Schurtholtz ini, digunakan beberapa Hukum Fisika yang mendasari prinsip-prinsip kerja dari mesin tersebut yaitu :

Asas Black ini terjadi karena adanya proses pelepasan dan penerimaan kalor antara dua system, dimana untuk kalor yang dilepaskan, pada energi mekanik Jumlahnya akan sama besar kalor yang diterima oleh air.

                                    Kalor yang dilepas = kalor yang diterima

Q_lepas = Q_terima

Jika suatu benda menerima / melepaskan kalor maka suhu benda itu akan naik/turun atau wujud benda berubah. Kalor jenis suatu benda tidak tergantung dari massa benda, tetapi tergantung pada sifat dan jenis benda tersebut. Jika kalor jenis suatu bend kecil maka kenaikan suhu benda tersebut akan cepat bila dipanaskan.

Helmholtz menyatakan bahwa semua bentuk tenaga adalah eqivalen dan bahwa sejumlah yang diberikan dari suatu bentuk tenaga tidak dapat lenyap tanpa sejumlah tenaga yang sama dalam suatu bentuk yang lain. Misalnya pada lilitan pita yang terbuat dari tembaga diberi sebuah beban sehingga diperoleh usaha sebesar :

               W  =    F . s

                     =    m . g . p  .D_kal . n

untuk energi panas yang dilepaskan menjadi :

               Q   =    e . m . g . p  .D_kal . n

kalor yang diterima oleh air :              Q₁ = (m_a . c_a) . DT

kalor yang diterima oleh pita tembaga dan kalori meter :

                                                Q₂ = m_kal . c_{kal .} DT

Menurut Asas Black,kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima sehingga, system tersebut berada dalam keadaan adiabatic, sehingga dari kondisi seperti itu akan diperoleh harga tara antara energi mekanik dan energi panas, sehingga :              Q    =          Q₁  +  Q₂

Harga Q1 dan Q2 disubtitusikan pada persamaan diatas sehingga, diperoleh :

m . g . p  .D_kal . n      =       (m_ac_a). DT + (m_kal.c_kal). DT

m . g . p  .D_kal . n      =       [(m_ac_a) + (m_kal.c_kal)]. DT

                        

Keterangan :   

e          =  tara mekanik panas ( kal/ joule )

Ma       =  massa air (kg)

Ca        =  panas jenis air (kal/kg.c)

M_kal      =  massa kalori meter tembaga (kg)

c_kal      =  panas jenis tembaga (kal/kg.c)

T      =  perbedaan suhu selama n putaran (c)

n          =  banyaknya putaran

M         =  massa beban ( Kg )

g          =  percepatan gravitasi (m/s)

D_kal      =  diameter kalori tembaga ( m )

Setelah dilakukan percobaannya, saya dapat menganalisa, sebaga berikut :

·         Analisa Data

Pada data ukuran geometri kalorimeter, terdapat 2 jenis bahan kalorimeter yang digunakan yaitu : Alumunium dan Tembaga. Kedua jenis bahan ini akan mempengaruhi besarnya kalor yang dihasilkan dari energi mekanik, karena kedua jenis bahan tersebut memiliki panas jenis yang berbeda.

Pada data kenaikan suhu terhadap banyaknya putaran, terlihat bahwa perubahan suhu pada setiap 20 putaran hingga 500 putaran cenderung menurun. Padahal jika kita lihat dengan teliti rumus yang digunakan diatas, terlihat hubungan antara banyaknya putaran dengan perubahan suhu. Jika jumlah putaran diperbanyak dan kita ingin mendapat nilai tara mekanik e yang tetap maka perubahan suhunya pun harus semakin besar, sehingga didapat nilai e yang tetap. Jadi, menurut teori semakin banyak putaran maka perubahan suhunya pun seharusnya lebih besar.

Pada data yang kita peroleh tidak demikian, hal tersebut dikarenakan perputaran engkol yang tidak konstan sehingga mempengaruhi besarnya gesekan yang akan menimbulkan panas (perubahan suhu) pada kalorimeter. Seharusnya perputaran engkol dilakukan secara konstan/tetap, tetapi perputaran engkol yang kita lakukan terkadang cepat dan terkadang lambat, karena diakhir-akhir putaran tenaga kita sudah terkuras sehingga pada akhir-akhir putaran cenderung lambat memutar engkolnya.

Berdasarkan data, terlihat bahwa pada kalorimeter alumunium besar dan kecil memiliki nilai suhu akhir yag berbeda, pada alumunium kecil suhu akhir lebih besra dibanding alumunium besar, hal ini karena berhubungan dengan massa kalorimeter, berdasarkan rumus diatas terlihat hubungan massa dan ΔT yang berbanding terbalik.

·         Analisa Perhitungan

Untuk menghitung tara mekanik panas, kita gunakan rumus seperti diatas, dalam hal ini praktikum ini kita tidak menggunakan air, sehingga massa air ditiadakan. Sehingga persamaannya adalah : .

Data yang diperlukan dalam menghitung tara mekanik ini adalah massa kalorimeter m_kal, panas jenis kalorimeter c_kal, perubahan suhu ΔT, banyaknya putaran n, massa beban M = 5 kg, tetapan gravitasi g = 9,8 kgm/s², tetapan π=3,14 dan diameter kalorimeter D_kal. Dengan menggunakan rumus diatas dihasilkan nilai KSR yang semuanya cenderung sangar besar yaitu diatas 80%.

Untuk menghitung tara mekanik dengan menggunakan grafik perubahan suhu terhadap putaran, kita menggunakan nilai at dari persamaan grafik at(x)+bt. Kemudian kita hitung nilai e dengan persamaan :

Disini nilai ΔT (perubahan suhu) dan n (jumlah putaran) digantikan dengan nilai at yang didapat dari grafik perubahan suhu terhadap banyaknya putaran, sehingga dengan menggunakan cara ini didapat hasil yang lebih teliti dibandingkan dengan cara sebelumnya, dibuktikan dengan nilai KSR yang lebih kecil dibanding cara sebelumnya yaitu dibawah 33%, bahkan ada yang KSRnya hanya 7%.

            Untuk menghitung kalor yang diserap pita nilon, kita gunakan peramaan :  , dengan    m_kal.c_kal.ΔT = Q

maka untuk menghitung Q, persamaan diatas menjadi : Q = e.n.M.g.π.D_kal

dengan e adalah tara mekanik panas literatur e = 0,24 kal/J

Menurut data, pada jumlah putaran yang sama, kalorimeter dengan diameter lebih besar (kalorimeter 3) memiliki nilai kalor yang lebih tinggi dibanding kalorimeter lain, hal ini sesuai dengan persamaan diatas bahwa kalor yang diserap pita nilon akan sebanding dengan diameter kalorimeter.

          Pada persamaan diatas yang berpengaruh adalah diameter kalorimeter saja, karena tara mekanik yang kita gunakan adalah tara mekanik panas literatur, seandainya yang digunakan adalah tara mekanik panas yang didapat pada perhitungan atau dari grafik, pasti nilai kalor yang dihasilkan pun akan berbeda-beda pada setiap bahan dan tiap lilitan.

·         Analisa Grafik

Grafik yang didapat adalah grafik kenaikan suhu terhadap banyaknya putaran. Dari grafik terlihat hubungan antara suhu terhadap banyaknya putaran dimana semakin banyak putaran maka dihasilkan nilai suhu yang semakin naik. Hal ini karena semakin banyak putaran maka gesekan antara pita nilon dengan kalorimeter akan sering terjadi sehingga menimbulkan suhu yang semakin tinggi. Menurut persamaan  diatas pun terlihat bahwa suhu T akan sebanding dengan jumlah putaran n.

DAFTAR PUSTAKA

Giancoli, C Douglas. 2001 . Fisika Jilid 1. Erlangga : Jakarta

Halliday, Resnick.1988. Fisika Untuk Universitas Jilid 1.Jakarta Pusat : Erlangga.

Nainggolan S. Werlin. 1987. Thermodinamika. Bandung : CV Armico.

Sutrisno dan Tan Ik Gie.1983. Fisika Dasar Listrik Magnet dan Termofisika Listrik. Bandung : ITB