Materi Kalor: Pengertian, Rumus, dan Pengaruh Perubahannya

Dalam kehidupan sehari-hari, kita dapat menjumpai energi panas atau energi kalor, seperti saat sendok dingin dimasukkan ke dalam secangkir air teh panas, sendok dan air teh menjadi hangat.

Energi yang ditransfer dari suatu benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah karena perbedaan suhu disebut kalor.

Pengertian Kalor

Kalor adalah bentuk energi yang berpindah dari satu benda ke benda lainnya akibat perbedaan suhu. Kalor mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah, hingga mencapai kesetimbangan termal.

Proses perpindahan kalor dapat menyebabkan perubahan suhu dan perubahan sifat fisik benda tersebut. Kalor sering diukur dalam satuan joule (J) dalam sistem internasional (SI).

Perlu diketahui bahwa suhu dan kalor itu berbeda. Suhu adalah suatu nilai yang dapat diukur dengan termometer, sedangkan kalor adalah energi yang mengalir dari suhu tinggi ke suhu lainnya.

Untuk membuktikan bahwa kalor adalah salah satu bentuk energi, James Prescott Joule (1818-1889) melakukan percobaan dengan alat sederhana yang melibatkan menjatuhkan beban berupa batangan logam ke dalam wadah berisi air. Logam berputar dan mengaduk air, menyebabkan kenaikan suhu air akibat gesekan.

Kesimpulannya adalah untuk menaikkan suhu 1 gram air sebanyak 1°C dibutuhkan energi sebesar 4,2 joule. Energi sebesar 4,2 joule (J) ini sama dengan 1 kalori (kal), atau:
$$ 1 \text{J} = 0.24 \text{kal} $$

Pengaruh Kalor Pada Perubahan Suhu

Pada umumnya, suhu akan naik jika menyerap kalor dan turun jika melepaskan kalor. Semakin lama pemanasan, maka kalor yang diterima air semakin besar dan suhu air akan semakin tinggi. Sehingga besarnya kalor (Q) yang diberikan pada sebuah benda sebanding dengan kenaikan suhu benda itu (∆T)

$$ Q = \Delta T $$

Dengan ( Q ) adalah kalor (joule) dan (\(\Delta T ) adalah perubahan suhu (K atau °C).

Sedangkan untuk menaikkan suhu yang sama, dua kilogram air lebih lama dan memerlukan lebih banyak kalor dibanding dari satu kilogram air. Jumlah kalor yang diserap benda untuk menaikkan suhu yang sama adalah sebanding dengan massa benda, dengan persamaan:

$$ Q = m $$

Dengan (Q) adalah kalor (J) dan (m) adalah massa zat (kg).

Kalor jenis menunjukkan kemampuan bahan menyerap kalor sehingga suhu akan naik. Kalor jenis ( c ) menyatakan besar kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg suatu benda sebesar 1°C. Semakin besar kalor jenis benda makin kecil kenaikan suhunya. Hal ini menunjukkan bahwa besarnya kalor sebanding dengan kalor jenis zat tersebut.

$$ Q = c $$

Dengan (Q) adalah kalor (J) dan (c) adalah kalor jenis (J/kg°C).

Setiap benda memiliki kalor jenis yang berbeda. Kalor jenis untuk berbagai materi ditunjukkan pada tabel berikut:

Dari ketiga rumus tersebut, dapat disimpulkan bahwa perpindahan kalor yang dilepas atau diterima zat ketika berubah suhunya, bergantung pada massa zat, jenis zat, dan perubahan suhu. Sehingga persamaan rumus tersebut dapat ditulis:

$$ Q = m \cdot c \cdot \Delta T $$

Dengan \(Q\) adalah kalor (J), \(m\) adalah massa zat (kg), \(c\) adalah kalor jenis (J/kg°C) dan \(Delta T\) adalah perubahan suhu (K/°C).

Kapasitas Kalor

Kaitan antara massa (\(m\)) dan kalor jenis (\(c\)) dapat dihubungkan dengan besaran yang disebut kapasitas kalor (C). Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1°C atau 1 K. Rumus kapasitas kalor adalah:
$$ C = c m $$
atau:
$$ C = \frac{Q}{\Delta T} $$
dimana \(C\) adalah kapasitas kalor (J/K), \(Q\) adalah kalor (J), dan \(\Delta T\) adalah perubahan suhu (K/°C).

Asas Black

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya berubah bentuk. Asas Black diterapkan ketika dua zat dengan suhu berbeda dicampurkan; zat dengan suhu tinggi melepaskan kalor dan zat dengan suhu rendah menerimanya, hingga suhu campuran menjadi sama:
$$ Q_{\text{lepas}} = Q_{\text{terima}} $$
atau:
$$ m_1 c_1 \Delta T_1 = m_2 c_2 \Delta T_2 $$

Pengaruh Kalor Pada Perubahan Wujud

Kalor juga mempengaruhi perubahan wujud zat selain perubahan suhu. Contoh sehari-hari termasuk air yang dipanaskan menjadi uap, es yang mencair, dan kapur barus yang habis. Ketika zat menerima atau melepaskan kalor, wujudnya berubah. Kalor yang diperlukan atau dilepaskan tiap satuan massa zat saat terjadi perubahan wujud disebut kalor laten (L):
$$ Q = m L $$
dimana \(Q\) adalah kalor yang diserap atau dilepaskan (J), \(m\) adalah massa zat (kg), dan \(L\) adalah kalor laten (J/kg).

Pengaruh Kalor Pada Pemuaian

Kenaikan suhu dapat menyebabkan perubahan dimensi panjang, luas, atau volume, yang dikenal sebagai pemuaian. Perubahan ini disebabkan oleh gerakan atau getaran partikel yang semakin cepat. Nilai koefisien muai panjang (\(\alpha\)) dinyatakan oleh:
$$ \alpha = \frac{\Delta L}{L_0 \Delta T} $$
dimana \(\alpha\) adalah koefisien muai panjang (/°C), \(\Delta L\) adalah perubahan panjang (m), \(L_0\) adalah panjang mula-mula (m), dan \(\Delta T\) adalah perubahan suhu (°C).

Untuk pemuaian luas, koefisien muai luas (\(\beta\)) dinyatakan oleh:
$$ \beta = \frac{\Delta A}{A_0 \Delta T} $$
dimana \(\beta\) adalah koefisien muai luas (/°C), \(\Delta A\) adalah perubahan luas (m²), \(A_0\) adalah luas mula-mula (m²), dan \(\Delta T\) adalah perubahan suhu (°C).

Pemuaian volume dinyatakan dengan koefisien muai volume (\(\gamma\)):
$$ \gamma = \frac{\Delta V}{V_0 \Delta T} $$
dimana \(\gamma\) adalah koefisien muai volume (/°C), \(\Delta V\) adalah perubahan volume (m³), \(V_0\) adalah volume mula-mula (m³), dan \(\Delta T\) adalah perubahan suhu (°C).

Kesimpulan

Kalor merupakan energi yang mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Contoh peristiwa kalor dalam kehidupan sehari-hari mencakup memasak, menyetrika, dan es yang mencair.

Ketika kalor berpindah pada suatu materi, terjadi perubahan dalam materi tersebut.

Kalor dapat mengubah wujud dan suhu benda. Besar kalor yang dibutuhkan untuk perubahan wujud benda berkaitan dengan kalor laten, sedangkan besar kalor yang dibutuhkan untuk perubahan suhu berkaitan dengan kalor jenis benda tersebut.