Hukum Pendinginan PDF

Preview

Summary

Aris Rachman Hakim Fachrurrozy Alhamdani Firgian Kusuma Putra Nadya S. Putri Prayogasno Erlangga Hukum Pendinginan I. TEORI Hukum pendinginan Newton menyatakan bahwa laju perubahan suhu suatu benda sebanding dengan perbedaan antara suhu benda dan suhu sekitarnya. Benda atau zat yang lebih panas dari...

Description

Aris Rachman Hakim Fachrurrozy Alhamdani Firgian Kusuma Putra Nadya S. Putri Prayogasno Erlangga

Hukum Pendinginan

I.

TEORI

Hukum pendinginan Newton menyatakan bahwa laju perubahan suhu suatu benda sebanding dengan perbedaan antara suhu benda dan suhu sekitarnya. Benda atau zat yang lebih panas daripada suhu lingkungannya akan mengalami penurunan suhu atau pendinginan karena adanya perpindahan kalor. Perubahan suhu teramati sebagai aktivitas penurunan suhu air, berlangsung terhadap perubahan waktu. Secara matematis, hukum pendinginan dirumuskan:

∫

�� = −� � − �� ��

��

��0

� �� = −� ∫ �� � − �� �0

ln⁡ �� − �� = −� � − �0 + ln⁡ ��0 − ��

keterangan: TR = Temperatur Ruangan T Tt Tto t

= = = =

Temperatur Zat Cair Temperatur air dalam botol setiap perubahan waktu Temperatur awal air dalam botol Waktu (sekon)

α

= Konstanta pendinginan

Nilai konstanta pendinginan ini dapat ditentukan dengan melakukan pengukuran suhu setiap saat dan kemudiaan memfitnya dengan persamaan di atas.

II. ALAT-ALAT 1. Botol Kaca 2. Termometer 3. Stopwatch 4. Plastisin / Penyumbat

1

Aris Rachman Hakim Fachrurrozy Alhamdani Firgian Kusuma Putra Nadya S. Putri Prayogasno Erlangga

III. PROSEDUR EKSPERIMEN 1.

Ukur temperatur ruangan. TR=………..oC

2.

Tuangkan air kedalam botol kaca ±

3.

4.

⁡

⁡yang sudah disiapkan

Ukur temperatur air dalam botol, lihat perubahan suhu pada air setiap 180 sekon (3 menit). Lalu, tuliskan data yang didapatkan ke dalam tabel berikut. Ulangi percobaan hingga 15 kali Tabel 1. Data Hasil Eksperimen No

t (s)

T (oC)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

IV. TUGAS 1. Hitunglah nilai ln(T-TR) pada tabel di atas 2. Buatlah Grafik ln(T-TR) terhadap t 3. Tentukan gradient dari grafik tersebut. M=…….. 4. Tentukan besar nilai � dengan persamaan berikut �=− 2

�

� − ��

Aris Rachman Hakim Fachrurrozy Alhamdani Firgian Kusuma Putra Nadya S. Putri Prayogasno Erlangga

5. Analisis dan beri kesimpulan dari percobaan ini V. PERTANYAAN 1. Mengapa air di dalam botol harus diaduk sebelum melakukan eksperimen? 2. Dengan volume dan suhu air yang sama, untuk melakukan pecobaan ini, lebih baik menggunakan botol dengan ukuran kecil atau ukuran besar? Jelaskan! 3. Bagaimana jika botol pada eksperimen ini diganti dengan gelas sterofoam? Jelaskan!

3

Vol.7

Hukum Pendinginan Eksperimen Fisika I By FACHRURROZY ALHAMDANI

I.

Pembahasan

Pada proses pendinginan, ada tiga jenis perpindahan kalor yang terjadi yaitu, konduksi, konveksi, dan radiasi. Untuk benda yang bersuhu rendah, perpindahan kalor secara radiasi cukup relatif kecil. Sedangkan untuk benda yang berada di udara terbuka, perpindahan kalor umumnya terjadi melalui konveksi. Laju pendinginan sangat bergantung dengan keadaan lingkungan dan bendanya. Pada eksperimen kali ini, akan digunakan air panas bersuhu ± 75°C yang

dimasukkan ke dalam botol berbahan kaca. Berdasarkan hukum pendinginan, laju perubahan suhu suatu benda itu sebanding dengan perbedaan antara suhu benda dan suhu sekitarnya. Maka didapatkan persamaan sebagai berikut. �� = −� � − �� ⁡. . . ��

∫

��

��0

�� = −���⁡. . . � − ��

� − ��

�

�� = −�⁡ ∫ �� ⁡. . . �0

ln �� − �� = −� � − �0 + ln⁡ ��0 − �� ⁡. . .

Jika persamaan (1) diselesaikan, maka akan didapatkan persamaan (4) yang berbentuk persamaan linier. Suhu akan dicatat sebanyak 16 kali tiap 180 detik. Setelah mendapatkan data eksperimen, data tersebut difit ke dalam grafik mengikuti persamaan (4). Perlu diketahui, besar � merupakan besar gradien dari persamaan garis yang dibentuk oleh data eksperimen dan � merupakan konstanta

pendinginan. Adapun data hasil eksperimen sebagai berikut,

1

Vol.7

Tabel 1 – Data Eksperimen NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

T (°C) 75 72 69 66 64 62 60 58 56 54 52 51 50 48 47 46

ln �� − �� 3,931825633 3,871201011 3,80666249 3,737669618 3,688879454 3,63758616 3,583518938 3,526360525 3,465735903 3,401197382 3,33220451 3,295836866 3,258096538 3,17805383 3,135494216 3,091042453

ln⁡ ��0 − �� 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633 3,931825633

Waktu (s) 0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800 1980 2160 2340 2520 2700

� 0,000336803 0,000347675 0,000359548 0,000337425 0,000326933 0,000322506 0,000321798 0,000323673 0,000327548 0,000333123 0,000321206 0,000311912 0,000322125 0,000316005 0,000311401

Jika dilihat dari persamaan (4), untuk mencari nilai � persamaan tersebut

cukup dipindah-ruaskan sehingga didapatkan nilai � seperti yang tertera pada tabel

1 dikolom � untuk tiap selang waktu t. Rata – rata nilai � yang didapat itu sekitar -0,000327979. Jika seluruh data difit dan garis tren dibuat maka di dapatkan grafik sebagai berikut. Grafik Eksperimen 4,5 4 3,5

ln(Tt-TR)

3 2,5

y = -0,0003x + 3,9187 R2 = 0,9984

2 1,5 1 0,5 0 0

500

1000

1500

Waktu (s)

2

2000

2500

3000

Vol.7

Terlihat grafik menunjukkan persamaan linier dengan gradien negatif. Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya bahwasanya besar gradien merupakan besar dari � sehingga nilai � adalah 0,000327979. Dari grafik juga diperoleh nilai

R2 hampir mendekati 1 lebih tepatnya R2 = 0,9984. Pada regresi linier, R2 disebut sebagai koefisien deterministik dan sering diartikan sebagai sebarapa besar kemampuan variabel bebas dalam menjelaskan varian dari variabel terikatnya. Jika R2 mendekati 1, maka data eksperimen sempurna. Dengan nilai R2 yang hampir mendekati 1, maka dapat dikatakan eksperimen ini berjalan dengan baik, yakni dengan ketelitian sekitar 99,84 % dan besar � yang didapatkan adalah 0,000327979/detik. Dengan demikian, proses

pendinginan terjadi karena adanya laju perpindahan kalor dari benda dengan suhu yang lebih tinggi ke lingkungan dengan suhu yang lebih rendah. Untuk menghambat proses pendinginan maka perlu ditambahkan bahan isolator pada benda atau botol dan begitu juga sebaliknya.

II. Tugas 1. Mengapa air di dalam botol harus diaduk sebelum melakukan eksperimen? Ketika air panas dimasukkan ke dalam botol, suhu air yang terukur pada multimeter sekitar 76°C diukur dari dasar botol. Air perlu diaduk terlebih dahulu agar penyebaran suhu pada air merata sehingga setelah di aduk selama waktu tertentu, multimeter menujukkan suhu air di dalam botol 75°C posisi baik di dasar botol, ditengah, maupun di permukaan air. 2. Dengan volume dan suhu air yang sama, untuk melakukan pecobaan ini, lebih baik menggunakan botol dengan ukuran kecil atau ukuran besar? Jelaskan! Jika menggunakan volume dan suhu air yang identik. Penggunaan botol dengan ukuran diameter alas kecil, akan menyebabkan banyaknya air yang menyentuh permukaan / selimut botol. Hal ini akan menyebabkan proses pendinginan yang lebih cepat karena semakin besar permukaan yang bersentuhan dengan udara luar maka semakin besar pula perpindahan kalor dari air panas ke udara luar melalui permukaan / selimut botol. Jika menggunakan diameter alas yang lebih besar, luas permukaan botol yang bersentuhan dengan air akan semakin kecil, begitu juga dengan udara diluarnya. Karena permukaan / selimut botol yang

3

Vol.7

bersentuhan dengan air dan udara kecil, proses pendinginan akan jauh lebih lama dari penggunaan botol dengan diamater alas yang lebih kecil. 3. Bagaimana jika botol pada eksperimen ini diganti dengan gelas sterofoam? Jelaskan! Gelas sterofoam, merupakan benda dengan jenis bahan isolator. Cup atau wadah mie seduh instan biasanya terbuat dari sterofoam. Mengapa menggunakan sterofoam? Dari kejadian tersebut, dapat disimpulkan bahwa gelas berbahan sterofoam dapat menghambat panas dari permukaan gelas ke udara hal ini terbukti ketika seseorang sedang menyeduh mie dengan air panas, tangan tidak akan merasakan langsung panas dari air yang diberikan, meskipun lama – kelamaan tangan akan segera merasakan panas. Jika dikaitkan dengan hukum pendinginan, bahan isolator yang diberikan pada botol atau benda, akan memperlambat laju perpindahan kalornya ke lingkungan. Jika eksperimen ini menggunakan gelas sterofoam, maka nantinya akan didapatkan nilai konstanta pendinginan yang lebih kecil dari hasil penelitian dengan menggunakan botol kaca.

4...