Bahan Ajar: KALOR

       Samakah temperatur dan kalor? Temperatur dan kalor sering dianggap sama oleh banyak mahasiswa, padahal arti kedua kata itu berbeda. Apakah temperatur itu? Apakah kalor itu? Bagaimana hubungan antara temperatur dan kalor? Jawaban atas petanyaan ini dapat Anda temukan dalam uraian materi berikut.
       Jika sebuah ketel air dingin diletakkan di atas kompor yang  menyala, maka temperatur air akan naik. Kita katakan bahwa kalor mengalir dari kompor ke air dingin. Dua benda yang temperaturnya  berbeda diletakkan saling bersentuhan, kalor akan mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Jika kedua benda disentuhkan cukup lama sehingga temperatur keduanya sama, keduanya dikatakan dalam keadaan setimbang termal, dan tidak ada lagi kalor yang mengalir diantara
keduanya.

a. Kalor sebagai Transfer Energi

      Pada abad kedelapan belas, model kalor menggambarkan aliran kalor sebagai gerakan fluida yang disebut kalori. Fluida kalori ini tidak pernah dapat dideteksi. Pada abad kesembilan belas, ditemukan berbagai fenomena yang berkaitan dengan kalor. Kalor dapat dideskripsikan secara konsisten tanpa perlu menggunakan model fluida. Model baru memandang bahwa kalor berhubungan dengan kerja dan energi.

      Suatu satuan untuk kalor adalah kalori. Satu kalori didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat celcius. Dalam keseharian lebih sering digunakan satuan kilokalori (kkal) yang besarnya 10.000 kalori. Dengan demikian 1 kkal adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1 derajat  Celsius. Dalam S.I., satuan kalor adalah joule, tetapi kalori dan kilokalori tetap digunakan.

      Gagasan bahwa kalor berhubungan dengan energi dikerjakan lebih lanjut oleh para ilmuwan pada tahun 1800-an. James Prescott  Joule (1818-1889) melakukan percobaan untuk menetapkan bahwa kalor seperti kerja, merepresentasikan transfer energi.

      Untuk mencari kesetaraan energi dengan kalor, James Prescott Joule melakukan percobaan seperti pada Gambar 1 . Pada percobaan tersebut, beban yang jatuh menyebabkan roda pedal berputar. Gesekan antara air dan roda pedal menyebabkan temperatur air naik. Pada percobaan ini, joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukan kalor tertentu. Secara kuantitatif kerja 4,186 joule (J) ternyata ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal sebagai tara kalor mekanik : 4,186 J = 1 kalori (kal) dan 4,186 x 103 J = 1 kilo kalori (k.kal).

      Sebagai hasil percobaan ini, para ilmuwan menginterpretasikan bahwa kalor bukan sebagai zat, dan juga
bukan sebagai bentuk energi, tetapi kalor merupakan “transfer energi”. Ketika kalor mengalir dari benda panas ke benda yang lebih dingin, energilah yang ditransfer dari benda panas ke yang dingin. Dengan demikian, kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lainnya karena adanya perbedaan
temperatur.

      Jumlah total energi pada semua molekul pada sebuah benda disebut energi termal atau energi dalam. Sebagaimana kita ketahui bahwa kalor bukan merupakan energi yang dimiliki sebuah benda, tetapi energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lainnya pada temperatur yang berbeda. Dengan menggunakan teori kinetik, kita dapat membuat perbedaan yang jelas antara temperatur, kalor, dan energi. Temperatur (dalam kelvin) merupakan pengukuran dari energi kinetik rata-rata dari molekul. Energi termal dan energi dalam mengacu pada energi total dari semua molekul pada benda. Dengan demikian dua batang besi bermassa sama dapat memiliki temperatur yang sama, tetapi keduanya memiliki energi termal dua kali lipat dari pada satu batang besi yang lain. Akhirnya, Kalor mengacu pada transfer energi (seperti energi termal) dari satu benda ke benda lainnya karena adanya perbedaan temperatur. Temperatur sebagai sifat materi (benda) yang dikaitkan dengan rata-rata energi kinetik atom-atom atau molekul-molekul materi tersebut.

b. Temperatur , Kalor dan Transfer Energi Dalam

         Arah aliran kalor diantara kedua benda bergantung pada temperatur keduanya, bukan pada berapa banyak energi dalam yang dimiliki masing-masing. Jika 50 g air pada 300 C dicampur dengan 200 g air pada 25o C, kalor mengalir dari air 30oC ke air 25oC walaupun energi dalam pada air 25oC jauh lebih besar karena jauh lebih banyak. Jika kalor diberikan pada suatu benda, maka temperatur benda akan naik. Besar kalor Q yang dibutuhkan untuk merubah temperatur zat tertentu sebanding dengan massa m zat tersebut, dan dengan perubahan temperatur t, dinyatakan dalam persamaan :

Q = mc t
c adalah kalor jenis dinyatakan dalam satuan J/Kg o C
Nilai kalor jenis suatu zat pada tekanan 1 atmosfir dan temperatur 20o
C ditunjukkan dalam tabel 2.1
Tabel 2.1 Kalor Jenis (pada tekanan 1 atm dan 20oC)

2.3 Kalor Jenis

Sampai batas tertentu, nilai c bergantung pada temperatur (sebagaimana bergantung sedikit pada tekanan), tetapi untuk perubahan temperatur yang tidak terlalu besar, c seringkali dapat dianggap konstan.

Contoh  1.
(a) Berapa kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur tong kosong 20 kg yang terbuat dari besi,
     dari   10oC sampai 90oC?
(b) Bagaimana jika tong tersebut diisi 20 kg air?

Penyelesaian:
(a) c (besi) = 450 J/kg.oC (lihat Tabel 2.1)
      t = 90oC – 10oC = 80oC
      maka Q = mc t = (20kg) (450J/kg.oC) (80oC) = 720 kJ
(b) Air itu sendiri memerlukan kalor :
     Q = mc t
         = (20kg) (4186J/kg.oC) (80oC) = 6700 kJ
Total untuk tong dan air diperlukan kalor sebanyak 720 kJ + 6700 kJ
         = 7400 kJ

       Apabila kalor diberikan pada suatu zat pada tekanan konstan maka pada zat itu terjadi kenaikan temperatur. Kadang-kadang zat dapat menyerap kalor dalam jumlah yang besar tanpa mengalami perubahan temperatur. Ini terjadi selama perubahan fase, yaitu ketika kondisi fisis itu berubah dari satu bentuk menjadi bentuk lain. Jenis perubahan fase adalah pembekuan- perubahan cairan menjadi padat (seperti pembekuan air menjadi es); penguapan - perubahan cairan menjadi uap dan gas (seperti pada penguapan air); dan sublimasiperubahan padat langsung menjadi gas (seperti pada penguapan kamper atau karbon dioksida padat). Perubahan fase dapat dipahami dengan teori molekuler. Kenaikan temperatur zat menggambarkan kenaikan energi kinetik. Apabila suatu zat berubah dari cairan menjadi bentuk gas, molekulmolekulnya yang berdekatan dalam bentuk cairan bergerak saling menjauhi. Ini membutuhkan usaha yang dilakukan melawan gaya- tarik yang mempertahankan molekul-molekul berdekatan. Dalam arti bahwa energi harus diberikan pada molekul untuk memisahkannya. Sejumlah energi kalor tertentu dibutuhkan untuk mengubah fase zat tertentu. Kalor yang dibutuhkan sebanding massa zat. Kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan zat bermassa m tanpa perubahan temperaturnya adalah :

Q = m Lf (2.2)
Lf adalah kalor laten peleburan zat tersebut. Untuk pencairan es
menjadi air pada tekanan 1 atm, kalor laten peleburan adalah 333,5
kJ/kg = 79,7 kkal/kg. Bila perubahan fase adalah dari cairan menjadi
gas, maka kalor yang dibutuhkan adalah :
Q= m Lv
Lv adalah kalor laten penguapan.

      

        Kalor laten untuk mengubah cairan menjadi gas diperlukan tidak hanya pada titik didih. Air dapat berubah dari fase cair ke gas bahkan pada temperatur ruangan. Untuk air pada tekanan 1 atm, kalor laten penguapan adalah 2260 kJ/kg (540 kkal/kg) pada 100oC. Ketika air menguap, air akan mendingin karena energi yang dibutuhkan (kalor laten untuk penguapan) datang dari air itu sendiri. Penguapan air dari kulit merupakan satu dari metode penting yang digunakan tubuh untuk mengendalikan temperaturnya. Ketika temperatur darah naik sedikit di atas normal, kelenjar hypothalamus mendeteksi naiknya temperatur ini dan mengirimkan sinyal ke kelenjar keringat untuk menaikkan produksinya. Energi yang dubutuhkan untuk menguapkan air ini berasal dari tubuh, dengan demikian tubuh menjadi dingin.

Contoh 2
Berapa banyak energi yang harus dikeluarkan lemari es dari 1,5 kg
air pada 20oC untuk membuat es pada -12oC?
Penyelesaian:
Kalor harus keluar untuk memperkecil air dari 20oC, untuk
mengubahnya menjadi es, dan kemudian untuk menurunkan es dari
0oC menjadi -12oC.
Q = mcairDt +mL f + mcesDt
Q = mc (20oC-0oC) + mL f + mces[0oC – (-12oC)]
= (1,5 kg) (4186J/kg.oC) (20oC) + (1,5 kg) (3,33 x 105 J/kg)
+ (1,5 kg) (2100 J/kgoC) (12oC)
= 6,6 x 105J = 660 kJ

       Semua produksi energi dalam sel berasal dari metabolisme seluler. Produksi kalor dalam sel disebut termagenesis. Energi kimia yang dicerna dalam bentuk makanan diubah menjadi bentuk energi lain. Sekitar 75 % - 85 % energi tersebut dilepas sebagai kalor energi termal. Jumlah kalor yang dilepas melalui oksida (yaitu perubahan zat makanan menjadi energi kalor) dari 1 gram zat makanan berikut:

Tabel 2  Energi Kalor yang dilepas
melalui Oksida dari Zat makanan
Jenis Makanan Kilojoule per gram

Sumber : Cree, L & Rischmiller, S

       Lemak memiliki nilai energi yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan karbohidrat dan protein. Lemak menghasilkan zat sisa yang terlalu banyak, dan jumlah oksigen yang diperlukan untuk metabolisme sangat besar, karena itu lemak tidak dianjurkan sebagai bahan bakar tubuh. Laju kalor yang dihasilkan tubuh merupakan alat ukur laju pelepasan energi dari makanan. Proses tersebut disebut sebagai laju metabolisme. Laju metabolisme ini dapat mencapai nilai terendah 250 – 300 kJ per jam.

       Produksi kalor merupakan tugas semua jaringan, tetapi kalor terbanyak dihasilkan oleh jaringan yang mengalami reaksi kimia yang cepat. Jantung, otak, dan hati serta sebagian besar kelenjar endoktrin menghasilkan kalor dalam jumlah besar saat istirahat. Sebagai akibatnya, temperatur organ tersebut sekitar satu derajat lebih tinggi daripada temperatur keseluruhan tubuh. Produksi kalor dari otot yang istirahat adalah rendah, tetapi dapat mencapai 30 % dari total kalor yang dikeluarkan tubuh karena separuh massa tubuh terdiri dari otot. Kondisi otot dan derajat aktivitas dapat mempengaruhi jumlah kalor yang dihasilkan. Selama

aktivitas berat, keluaran kalor dalam otot meningkat sampai 50 kilo kalori yang dihasilkan semua jaringan, jika digabungkan. Fakta ini dimanfaatkan oleh tubuh dalam pengaturan temperatur tubuh, misalnya saat menggigil – suatu proses untuk menghangatkan tubuh. Banyak proses yang terjadi dalam organisme hidup bergantung pada temperatur. Temperatur merupakan salah satu pengukuran fisiologis yang terpenting. Sistem temperatur diukur menggunakan transduser kalor. 

       Hypothalamus dalam otak mengatur temperatur tubuh. Hypothalamus terletak pada dasar otak di bawah thalamus. Secara konstan, hypothalamus tersebut memantau aliran darah di sekitarnya, tulang belakang dan dari termoreseptor perifer pada kulit. Termoreseptor memantau temperatur permukaan (kulit). Penguapan air dari kulit merupakan satu dari metode penting yang digunakan tubuh untuk mengendalikan temperaturnya. Ketika temperatur darah naik sedikit di atas normal, hypothalamus mendeteksi naiknya temperatur ini dan mengirimkan sinyal ke kelenjar keringat untuk menaikkan produksinya. Energi yang dibutuhkan untuk menguapkan air berasal dari tubuh, sehingga tubuh menjadi dingin. Pada tubuh, kalor yang dihasilkan melalui metabolisme makanan, digunakan untuk mempertahankan temperatur tubuh agar tetap dalam rentang temperatur normal, 36,1oC – 37,1 oC. Lokasi pada tubuh yang dapat digunakan untuk mengukur temperatur adalah mulut, ketiak, telinga dan dubur.

b. Pengaturan dan Pengukuran Temperatur Tubuh

         Tidak ada satupun nilai temperatur yang dapat dipandang normal karena terdapat kisaran nilai yang diamati. Selain itu, temperatur juga bervariasi di antara berbagai lokasi tubuh sebagai respons terhadap berbagai faktor yang ada di lokasi tersebut. Faktor tersebut antara lain, aktivitas kimiawi, kontak den an lingkungan eksternal, dan sistem pengatur yang tidak selalu 100% efektif. Rata-rata temperatur pada bagian dalam tubuh, biasanya hampir selalu sama yaitu dalam kisaran plus atau minus 6o C, kecuali jika seseorang terserang demam.

         Peningkatan atau penurunan temperatur seiring perubahan temperatur lingkungan sebenarnya terjadi pada temperatur permukaan – temperatur kulit. Oleh karena itu, sebelum kita dapat mewakili temperatur sebenarnya dari tubuh seakurat mungkin. Instrumen yang paling berguna dalam pengukuran temperatur tubuh adalah termometer merkuri, termometer termistor, dan digital. Termometer merkuri disebut juga thermometer klinis. Termometer merkuri digunakan dengan beberapa alasan : (1) merkuri tidak tembus pandang sehingga mudah dilihat; (2) merkuri merupakan konduktor kalor yang baik; (3) merkuri akan naik secara teratur; (4) merkuri tidak melekat pada kaca; dan (5) merkuri tetap berbentuk cair sampai kisaran suhu tertentu. Termometer merkuri merupakan alat yang paling lazim, mudah dan murah untuk mengukur temperatur tubuh manusia, tetapi juga merupakan alat yang paling lambat (3 menit) dan paling rapuh. Termometer merkuri mampu mengukur temperatur di bawah 35o C untuk situasi seperti hipotermia hebat (temperatur tubuh sangat rendah).

        Termistor mendeteksi kalor dan mengubahnya menjadi aliran listrik kecil yang diperkuat dan diubah menjadi pembacaan temperatur. Termistor merupakan kawat (probe) terbungkus yang fleksibel, peka kalor, dan berujung tumpul yang terhubung pada sebuah alat pencatat temperatur secara digital. Termometer elektrik

digital memiliki kelebihan dibandingkan dengan termistor dan termometer merkuri, yakni pencatatan temperatur lebih cepat dibandingkan thermometer merkuri (3 menit); oral (4 detik); ketiak (10 detik); dubur (15 detik) dan timpani (2 detik).  Kalor dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain melalui tiga proses: konduksi, konveksi, dan radiasi.

a. Konduksi

       Jika sebuah sendok diletakkan ke dalam mangkuk sop, ujung yang kita pegang akan segera menjadi panas. Walaupun tidak bersentuhan langsung dengan sumber panas. Kita katakan bahwa perpindahan kalor ini disebut konduksi. Konduksi adalah transfer kalor dari suatu tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur lebih rendah melalui gerakan molekul. Pada konduksi, terjadi transfer energi kalor lewat interaksi antara atom-atom atau Transfer Kalor dan penerapannya dalam biologi molekul, walaupun atom-atom dan molekulnya sendiri tidak berpindah.

        Konduksi kalor pada zat terjadi sebagai hasil tumbukan molekul-molekul. Pada proses konduksi ini, partikel atau molekul hanya bergetar di sekitar posisinya, dengan energi relatif kecil pada temperatur rendah ke energi besar pada temperatur tinggi. Pada suatu ujung yang dipanaskan, molekul-molekul di tempat itu bergetar dengan energi lebih besar dibandingkan molekul-molekul di ujung yang lebih dingin. Molekul-molekul itu bertumbukan dengan molekul disampingnya yang bergetar dengan energi lebih kecil, molekul-molekul itu mentransfer sebagian energi di molekul-molekul lain sepanjang benda.

        Sebagian besar penghantaran kalor dalam tubuh berlangsung dengan proses konduksi melalui sel dan cairan sel dibantu oleh sirkulasi cairan tersebut dan sirkulasi darah. Untuk melindungi tubuh, kita mengenakan pakaian dan selimut yang dapat menghangatkan kita dalam cuaca dingin. Pakaian dan selimut berperan sebagai isolator, menjaga agar kalor tetap berada di dalam. Sifat isolasi dari pakaian bersumber dari sifat isolasi idara.

       Apabila tanpa pakaian, tubuh kita akan memanaskan udara yang bersentuhan kulit, dan akan segera menjadi nyaman karena udara merupakan isolator yang baik. Karena udara bergerak ada dingin, dan orang itu sendiri bergerak- maka udara hangat akan digantikan oleh udara dingin. Cara demikian menyebabkan perbedaan temperatur dan meningkatkan kehilangan kalor dari tubuh. Pakaian menjaga kita tetap hangat dengan menahan udara, sehingga tidak dapat bergerak bebas. Bukan pakaian yang mengisolasi kita, tetapi udara yang   dikurung olehnya.

        Bulu merupakan isolator yang sangat baik karena sejumlah kecil bulu akan mengembang dan mengurung udara yang banyak. Dengan dasar ini, kita dapat menjawab pertanyaan mengapa tirai di jendela memperkecil kehilangan kalor dari sebuah rumah.

b. Konveksi

       Konveksi adalah proses transfer kalor dengan pergerakan molekul dari satu tempat ke tempat yang lain. Konveksi merupakan transfer kalor dalam cairan dan gas oleh bergeraknya partikel-partikel yang dipanaskan. Transfer konveksi sangat berbeda dengan konduksi. Pada konveksi, kalor ditransfer langsung lewat perpindahan massa. Dengan cara ini, air hangat naik di atas air dingin, dan udara hangat naik di atas udara dingin. Ini menyebabkan burung-burung membubung tinggi dalam udara hangat.

        Ketika sepanci air dipanaskan, terjadi arus konveksi. Sementara air yang dipanaskan di bagian bawah naik karena massa jenisnya berkurang, dan digantikan oleh air yang lebih dingin di atasnya. Konveksi melibatkan pergerakan molekul dalam jarak yang besar, sedangkan konduksi melibatkan molekul yang hanya bergerak dalam jarak yang kecil dan bertumbukan. Sebagai contoh, bila udara dekat lantai dipanaskan, udara memuai dan naik karena kerapatannya yang lebih rendah. Jadi energi termal di udara panas ini ditransfer dari lantai ke langit-langit dengan massa udara panas.

      Tubuh manusia menghasilkan energi termal yang besar. Energi diubah dari makanan di dalam tubuh, maksimal 20% digunakan untuk melakukan kerja, sehingga lebih dari 80% sebagai energi termal. Selama kegiatan yang ringan, jika energi termal ini tidak dikeluarkan, temperatur tubuh akan naik sekitar 3o C perjam. Kalor yang dihasilkan oleh tubuh harus transfer keluar. Temperatur kulit pada lingkungan yang nyaman adalah 33o C sampai 35o C, sementara temperatur bagian dalam tubuh sebesar 37 oC. perbedaan temperatur yang kecil ini, ditambah konduktivitas termal jaringan, konduksi langsung mengakibatkan sedikit sekali kalor yang dikeluarkan. Kalor dibawa ke permukaan oleh darah. Sebagai tambahan bagi peranannya yang penting, darah berfungsi sebagai fluida konveksi untuk mentransfer kalor sampai persis di bawah permukaan kulit. Kalor

kemudian dihantarkan (melalui jarak yang sangat kecil) ke permukaan. Sekali berada di permukaan, kalor ditransfer ke lingkungan dengan konveksi, penguapan dan radiasi.

       Seorang pasien yang menjalani mandi air dingin atau suamsuam kuku dapat kehilangan kalor akibat proses konveksi yang berlangsung di dalam air begitu kalor dipindahkan ke molekul air terdekat melalui proses konduksi. Menggigil merupakan suatu komplikasi yang mungkin muncul dalam perlakuan ini.

c. Radiasi

        Semua kehidupan di dunia ini bergantung pada transfer energi dari Matahari. Energi ini ditransfer ke Bumi melalui ruang hampa. Bentuk transfer energi ini dalam kalor, dinamakan radiasi. Pada radiasi, energi dipancarkan dan diserap oleh benda-benda dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Radiasi ini bergerak lewat ruang hampa dengan kelajuan cahaya. Proses ini merupakan metode transfer kalor yang tidak bergantung pada zat apa pun. Radiasi termal, gelombang cahaya, gelombang radio, gelombang televisi, dan sinar X semuanya adalah bentuk radiasi elektromagnetik yang berada dalam panjang gelombang dan frekuensi.

        Semua benda memancarkan dan menyerap radiasi elektromagnetik. Bila benda ada dalam kesetimbangan termal denga sekitarnya, benda memancarkan dan menyerap energi pada laju yang sama. Apabila benda dipanaskan sampai temperatur yang lebih tinggi daripada sekitarnya, maka benda meradiasi keluar lebih banyak energi daripada yang diserapnya, dengan demikian benda menjadi

lebih dingin sementara sekitarnya menjadi panas.

         Kehilangan kalor dari kulit dapat terjadi akibat radiasi dan jumlah kehilangan itu beragam bergantung pada keadaan dilatasi pembuluh darah pada kulit – semakin besar dilatasi, semakin banyak kalor yang hilang.

 RANGKUMAN:

+  Kalor mengalir dari tempat yang bertemperatur tinggi ke tempat yang bertemperatur rendah .

+  Satu kalori menyatakan kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1oC. 

+  Energi termal adalah total energi pada semua molekul dalam sebuah benda 

+  Kalor jenis adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg massa suatu zat sebesar 1o C

+  Kalor dapat melakukan perpindahan dengan cara konduski, konveksi dan radiasi