Perpindahan Kalor

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 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 5.1).

Gambar 5.1 Tiga cara perpindahan kalor konduksi, konveksi, dan radiasi

1. 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 elektron-elektron pada bagian tersebut bergerak lebih kencang (memiliki energi kinetik lebih besar). Akibatnya elektron bermigrasi ke lokasi yang memiliki energi kinetik lebih rendah (bagian zat yang lebih dingin). Migrasi tersebut menyebabkan tumbukan elektron yang berenergi timggi dengan elektron yang berenergi rendah sehingga elektron yang berenergi rendah menjadi berenergi tinggi yang direpresentasikan oleh kenaikan suhu. Begitu seterusnya sehingga elektron yang berenergi tinggi tersebar makin jauh dari lokasi pemanasan. Peristiwa ini merepresentasikan perambatan kalor secara konduksi.

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. Zat yang mudah menghantarkan kalor ini disebut konduktor kalor. Sedangkan zat yang sulit menghantarkan kalor adalah kaca, karet, kayu, batu. Zat yang sulit menghantarkan kalor ini disebut isolator kalor. 

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

Sebagai ilustrasi lihat gambar 5.2 untuk menjelaskan peristiwa konduksi kalor. Konduktivitas panas sejumlah zat tampak pada Tabel 2.1.

Gambar 5.2 Parameter untuk menentukan perpindahan panas dalam bahan secara konduksi.

Tabel 2.1 Konduktivitas panas sejumlah zat (dari berbagai sumber).

Contoh Soal :

Sebuah silinder tembaga memiliki panjang 10 cm dan jarijari 5 cm. Satu ujung silinder disentuhkan ke air yang sedang mendidih dan ujung lainnya disentuhkan pada es yang sedang mencair. Tentukan :

• Laju perambatan kalor dalam batang.
• Jumlah kalor yang dipindahkan selama 5 mennit.

Jawab

a). Laju perambatan kalor 

b).  Selama selang waktu 5 menit = 300 s, jumlah kalor yang berpindah adalah 

4. 533 x 300 = 1,36 x 10⁶ J. 

2. 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 sepertiini 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, khususnyabagian dasar panci. Namun, lama-lama seluruh bagian airmenjadi 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 yangmassa jenis lebih kecil akan berada di lapisan atasdan yangmassa jenis besar akan berada di lapisan atas karena massa jenisnya lebih kecil daripada air.

Gambar. 5.3 Fenomena konveksi pada air yang dipanaskan dalam panci

Fluida yang berada di atas dan bersuhu lebih rendah (memiliki massa jenis lebih besar) akan bergerak turun mengisi tempat kosong yang ditinggalkan fluida panas. Akibatnya terjadi pergantian posisi fluida (Gambar 5.3). 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 mencapai suhu yang sama.

Fenomena konveksi berperan sangat penting dalam kehidupan manusia. Aliran udara atau angin adalah perisitiwa konveksi. Udara di tempat yang bersuhu tinggi mengalami penurunan massa jenis akibat pemuaian volume 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 5.4).

Gambar 5.4 Salah satu mekanisme terjadinya angin akibat konveksi

3. 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.

Gambar 5.5 Peristiwa radiasi panas

Lampu pijar mengandung filamen di tengahnya (kawat kecil). Ruang antara filamen dan kacalampu adalah hampa. Ketika lampu disambung ke tegangan listrik PLN maka filamen memanas. Suhunya bisa mencapai 5.000 ⁰C. Tetapi panas dapat dirasakan sampai kekaca lampu dan bisa juga dirasakan sampai liluar (Gambar 5.5). Ini menunjukkan bahwa panas filamen dapat merambat melalui ruang hampa dalam lampu hingga mencapai lokasi di luar lampu.

Gambar 5.5 Panas api unggun dengan segera dirasakan oleh orang yang duduk di sekeliling api unggun

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 5.6). 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.

Gambar 5.7 Panas dapat merambat secara radiasi karena panas tersebut dibawa oleh gelombang elektromagnetik

Pertanyaan berikutnya adalah, mengapa panas bisa merambat secara radiasi ? Jawabannya adalah panas tersebut dibawa oleh gelombang elektromagnetik (Gambar 5.7). 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