Teori Singkat Kesetaraan Energi Yang Mudah Dipahami

Teori Singkat Kesetaraan Energi Yang Mudah Dipahami

Hukum pertama termodinamika telah menjelaskan tentang hukum kekekalan energi. Hukum ini dapat dijadikan dasar untuk menentukan kesetaraan energi panas (Kalori) dan energi mekanis (Joule). Berikut dalam Gambar 1 diberikan diagram percobaan Joule.

Percobaan Kesetaraan Energi
Gambar 1. Perangkat percobaan Joule

Air dalam kalori meter berada dalam dinding insulasi agar temperatur  sistem tidak dapat dipengaruhi oleh panas yang masuk atau keluar darinya. Dengan  pemberian  beda potensial Vs , arus listrik akan mengalir melalui amperemeter, sehingga beda potensial akan timbul pada ujung- ujung kumparan yang akan menghasilkan usaha listrik pada sistem untuk memanaskan air.Usaha ini  dikenal  sebagai  kalor  joule,  yang  dapat dinyatakan sebagai : 

W = V . I . t 
di mana
V adalah beda potensial ujung-ujung elemen
I adalah kuat arus listrik dalam  rangkaian, dan 
t adalah waktu pengaliran aruske sistem. 

Energi panas yang dilepaskan oleh elemen listrik tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter sehingga temperatur sistem menjadi meningkat. Besar energi panas Q  yangdibutuhkan oleh air untuk  menaikkan temperaturnya sebanding dengan perubahan temperatur ∆T dan massa m, yaitu :

Q = m c ∆T

dimana c adalah kalor jenis air. Hasil eksperimen Joule dan eksperimen-eksperimen sesudahnya adalah bahwa dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanis atau listrik (joule) untuk meningkatkan temperatur 1g air dengan 1℃,atau 4,18 Jenergi mekanis atau listrik adalah ekuivalen dengan 1 kal energi panas (Herman & Asisten LFD: 2016).

Kalor Suatu Bentuk Tenaga

Menurut Halliday (1978), bila dua sistem yang temperaturnya berbeda-beda dipersatukan bersama, maka temperatur akhir yang dicapai kedua sistem tersebut berada diantara dua temperatur permulaan tersebut. Kalor adalah sesuatu yang dipindahkan diantara sebuah sistem dan sekelilingnya sebagai akibat dari adanya perbedaan temperatur. Satuan kalor Q biasanya didefenisikan secara kuantitatifdalam perubahan tertentu yang dihasilkan di dalam sebuah benda selama proses tertentu. 
Temperatur-temperatur referensi dinyatakan karena di dekat temperaturkamar terdapat sedikit variasi kalor yang diperlukan untuk kenaikan temperatur satu derajat dengan interval temperatur yang telah dipilih. Satuan-satuan kalor dihubungkan sebagai berikut :

1,000 kcal = 1000 cal = 3,968 Btu (Britist Thermal Unit)   

Zat-zat berbeda terhadap satu sama lain terhadap kuantitas kalor yang diperlukan untuk menghasilkan suatu kenaikan temperatur yang diberikan di dalam sebuah massa yang diberikan. Perbandingan banyaknya tenaga kalor ∆Q yang dibedakan pada sebuah benda untuk menaikkan temperatur sebanyak ∆T dinamakan kapasitas kalorC dari benda tersebut, yakni :

C = kapasitas kalor = ∆Q/∆T


Kalor Sebagai Transfer Energi

Kalor mengalir dengan sendirinya dari suatu benda yang temperaturnya lebih tinggi ke benda lain yang temperaturnya lebih rendah. Kalori didefenisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat celcius. Secara kuantitatif, kerja 4,186 joule (J) ternyata ekuivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal dengan tara kalor mekanik : 

4,186 J = 1 kal
4,186× 103 J = 1 kkal

Sebagai hasil dari percobaan ini dan yang lainnya, para ilmuan kemudian menginterpretasikan kalor bukan sebagai suatu zat, dan bahkan bukan sebagai suatu bentuk energi. Melainkan kalor merupakan transfer energi : ketika benda mengalir dari benda panas ke yang lebih dingin, energi-lah yang di transfer dari yang panas ke yang dingin. Dengan demikian kalor merupakan energi yang di transfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur (Serway, 2010).

Kapasitas kalor (C) suatu objek bernilai konstan antara panas Q yang diserap atau yang dilepas objek dan perubahan suhu ∆T yang dihasilkan objek,yaitu :

Q = C ∆T = C ( Tf - Ti)

Dimana Ti dan Tf  adalah suhu awal dan akhir objek. Kapasitas panas C memiliki satuan unit energi per derajat atau energi per kelvin. Kapasitas panas C, katakanlah sebuah lempeng marmer ,yang digunakan dalam suatu pemanas memiliki nilai 179 cal/C0, yang dapat juga ditulis sebagai 179/K atau 749 J/K. Kata “kapasitas” dalam konteks ini benar-benar menyesatkan sehingga akan menunjukkan suatu analogi seperti kapasitas ember untuk menahan air. Analogi seperti itu keliru, dan anda seharusnya tidak berpikir benda sebagai panas “yang terisi” atau dibatasi kemampuannya untuk menyerap panas. Proses perpindahan panas dapat terus berlanjut tanpa batas sepanjang terdapat perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan.  Bendatersebut kemungkinan dapat meleleh atau menguap selama proses tersebut.  Dua objek yang berasal dari bahan yang sama, misalkan sebuah marmer akan memiliki kapasitas panas sebanding dengan massanya sehingga mudah untuk mendefenisikan kapasitas kalor per satuan massa atau kalor jenis cyang tidak merujuk kepada objek tetapi merujuk pada satuan massa bahan penyusun objek tersebut. Sehingga secara matematis dirumuskan :

Q = m c ∆T= ( Tf - Ti)

Melalui penelitian, kita akan menemukan bahwa meskipun kapasitas panas dari sebuah benda, misalkan marmer bernilai 179 kal/0C atau 749 J/K, panas spesifik dari marmer itu sendiri (di lempengan atau objek marmer lainnya) adala 0,21 kal/g.C0 atau (880 J/Kg.K) (Halliday: 2010).

Demikian artikel tentang Teori Singkat Kesetaraan Energi pada postingan kali ini, semoga bermanfaat bagi Anda dan tentunya dapat menambah wawasan bagi siapa saja yang membacanya, khususnya bagi kalangan akademisi yang mendalami ilmu Fisika.

Sumber Pustaka

Halliday, David. Resnick, Robert. Walker, Jearl. 2010. Fisika Dasar Edisi Ketujuh Jilid 1 Terjemahan. Jakarta : Erlangga.

Herman & Asisten LFD. 2015. Penuntun Fisika Dasar 2. Laboratorium Fisika Unit Praktikum Fisika Dasar : Makassar.

Serway, Raymond A. dan John W. Jewett.. 2010. Fisika untuk Sains dan Teknik Buku 2 Edisi 6. Jakarta : Salemba Teknika.