Asas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh Joseph Black. Asas ini menjabarkan:
- Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang panas memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama
- Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas
- Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan
Bunyi Asas Black adalah sebagai berikut:
"Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah"
Secara umum rumus Asas Black adalah
Qlepas = Qterima
Keterangan:
Qlepas adalah jumlah kalor yang dilepas oleh zat
Qterima adalah jumlah kalor yang diterima oleh zat
dan rumus berikut adalah penjabaran dari rumus diatas :
(M1 X C1) (T1-Ta) = (M2 X C2) (Ta-T2)
Keterangan :
M1 = Massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi
C1 = Kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi
T1 = Temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi
Ta = Temperatur akhir pencampuran kedua benda
M2 = Massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah
C2 = Kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah
T2 = Temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah
Catatan : Pada pencampuran antara dua zat, sesungguhnya terdapat kalor yang hilang ke lingkungan sekitar. Misalnya, wadah pencampuran akan menyerap kalor sebesar hasil kali antara massa, kalor jenis dan kenaikan suhu wadah.
Contoh Soal Asas Black
Kita pakai contoh soal yang sangat sederhana, perhatikan gambar di bawah jika volume air di gelas B adalah setengah dari volume di gelas A, maka berapa suhu campurannya di gelas C?
Jawab :
Q lepas = Q terima
m2 c2 (t2-ta) = m1c1 (ta-t1)
m = volume x masa jenis = V.ρ
Vb.ρ c2(t2-ta) = Va.ρ c2(ta-t1) (karena sama-sama air, masa jenis dan kalor jenis bisa dicoret)
Vb. (t2-ta) = Va. (ta-t1)
1/2 Va.(t2-ta) = Va. (ta-t1)
1/2 (40-ta) = (ta-25)
40-ta = 2ta-50
40+50 = 2ta+ta
90 = 3 ta
ta = 30 derajat
Penerapan Asas Black dalam Pemecahan Masalah- Kalor adalah energi yang dipindahkan dari benda yang memiliki temperatur tinggi ke benda yang memiliki temperatur lebih rendah sehingga pengukuran kalor selalu berhubungan dengan perpindahan energi. Energi adalah kekal sehingga benda yang memiliki temperatur lebih tinggi akan melepaskan energi sebesar QL dan benda yang memiliki temperatur lebih rendah akan menerima energi sebesar QT dengan besar yang sama. Secara matematis, pernyataan tersebut dapat ditulis sebagai berikut.
QLepas = QTerima …….. (7–15)
Persamaan (7–15) menyatakan hukum kekekalan energi pada pertukaran kalor yang disebut sebagai Asas Black. Nama hukum ini diambil dari nama seorang ilmuwan Inggris sebagai penghargaan atas jasa-jasanya, yakni Joseph Black (1728–1799). Pengukuran kalor sering dilakukan untuk menentukan kalor jenis suatu zat. Jika kalor jenis suatu zat diketahui, kalor yang diserap atau dilepaskan dapat ditentukan dengan mengukur perubahan temperatur zat tersebut. Kemudian, dengan menggunakan persamaan Q = m c ΔT besarnya kalor dapat dihitung. Ketika menggunakan persamaan ini, perlu diingat bahwa temperatur naik berarti zat menerima kalor, dan temperatur turun berarti zat melepaskan kalor. Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kalor. Salah satu bentuk kalorimeter, tampak pada Gambar 7.5. Kalorimeter ini terdiri atas sebuah bejana logam dengan kalor jenisnya telah diketahui. Bejana ini biasanya ditempatkan di dalam bejana lain yang agak lebih besar. Kedua bejana dipisahkan oleh bahan penyekat, misalnya gabus atau wol. Kegunaan bejana luar adalah sebagai pelindung agar pertukaran kalor dengan lingkungan di sekitar kalorimeter dapat dikurangi. Kalorimeter juga dilengkapi dengan batang pengaduk. Pada waktu zat dicampurkan di dalam kalorimeter, air di dalam kalorimeter perlu diaduk agar diperoleh temperatur merata dari percampuran dua zat yang suhunya berbeda. Batang pengaduk ini biasanya terbuat dan bahan yang sama seperti bahan bejana kalorimeter. Zat yang diketahui kalor jenisnya dipanaskan sampai temperatur tertentu. Kemudian, zat tersebut dimasukkan ke dalam kalorimeter yang berisi air dengan temperatur dan massanya yang telah diketahui. Selanjutnya, kalorimeter diaduk sampai suhunya tetap.
Gambar 7.5 Kalorimeter sebagai alat ukur kalor.
Contoh soal
1. Suatu bola besi dengan massanya 500 gram dipanaskan sampai suhu 100oC. Bola besi tersebut dimasukkan ke dalam kaleng aluminium yang massanya 200 gram dan berisi air yang massanya 600 gram yang mula-mula suhunya 18o C. Kalor jenis air adalah 4,18 kJ/kg.oC sedang kalor jenis aluminium adalah 0,900 kJ/kg.o C. Suhu kesetimbangan akhir campuran adalah 20o C. Berapakah kalor jenis besi tersebut?
Penyelesaian:
Pertambahan suhu air adalah 20oC – 18oC = 2oC , maka kalor yang diserap air adalah:
Qa= macaΔTa
= (0,6 kg).(4,18 kJ/kg.oC).(2oC) = 5,02 kJ
Dengan cara sama, jumlah kalor yang diserap kaleng aluminium adalah:
Qk= mkckΔTk
= (0,2 kg).(0,900 kJ/kg.oC).(2oC) = 0,36 kJ
Perubahan suhu pada bola besi adalah 100o C – 20o C = 80 oC, dan kalor yang dilepaskan oleh bola besi adalah:
Qb= mbcbΔTb
= (0,5 kg).( cb ).(80o C) = 40. cb kg.o C
Berdasarkan asas Black, jumlah kalor yang diberikan oleh bola besi sama dengan jumlah kalor yang diterima oleh air dan kaleng aluminium sebagai wadahnya sehingga:
40. cb kg.o C = 5,02 kJ + 0,36 kJ = 5,38 kJ
Nilai kalor jenis bola cb yaitu:
cb = (5,38kJ)/(40 kg.oC)= 0,1345kJ/kg.oC
2. Jika teh 200 cm3 pada suhu 95 oC dituangkan ke dalam cangkir gelas 150 g pada suhu 25 oC, berapa suhu akhir (T ) dari campuran ketika dicapai kesetimbangan, dengan menganggap tidak ada kalor yang mengalir ke sekitarnya?
Penyelesaian:
Teh sebagian besar berupa air, memiliki kalor jenis (C ) 4.186 J/kgoC.
V = 200 cm3 = 200 × 10-6 m3,
massa, m = ρ.V = (1,0 × 103 kg/m3)(200 × 10- 6 m3) = 0,20 kg
Dengan menerapkan Hukum Kekekalan Energi, maka:
kalor yang hilang dari teh = kalor yang diterima cangkir
mteh.cteh (95 oC – T ) = mcangkir.ccangkir (T – 25 oC)
di mana T adalah temperatur yang masih belum diketahui.
(0,20 kg)(4.186 J/kgoC)(95oC – T ) = (0,15 kg)(840 J/kgoC)(T – 25oC)
79.534 J – (837,2)T = (126)T – 3.150 J
T = 85 oC
Teh berkurang suhunya sebesar 10 oC dalam mencapai kesetimbangan dengan cangkir.
3. Sebuah kalori meter dengan kapasitas 80 J/oC mula-mula diisi dengan 200 gram air dengan suhu 100oC. Kemudian ke dalam kalorimeter dimasukkan lagi sebuah logam yang bermassa 100 gram dengan suhu 40oC. Setelah tercapai kesetimbangan termal diperoleh suhu akhir campuran 60oC.
Berapakah kalor jenis logam tersebut? (kalor jenis air = 1 kal/groC).
Penyelesaian:
Diketahui: CK = 80 j/oC = 19,2 kal/oC
ma = 200 gram
ta = tk = 100oC
mL = 100 gram
tL = 400oC
Ca = 1 kal/hgroC
t = 60oC
Ditanya: CL = …?
Jawab:
Kalor yang dilepaskan oleh:
a) Kalori meter
Q1 = CK . Δt
Q1 = 19,2 . (10-60) = 768 kal.
b) air
Q2 = ma . Ca . Δt
Q2 = 200 . 1 . (100-60) = 8000 kal
Kalor yang diserap logam:
Q3 = mL . CL . Δt
Q3 = 100 . CL . (60-40) = 2000 CL
Azas Black:
Q1 + Q2 = Q3
768 + 8000 = 2000 CL
8768 = 2000 CL
CL = 4,384 kal/groC
0 komentar:
Posting Komentar