KESETARAAN ENERGINurfaida*), Aprilia Manta Patimang, Arsyam BasriLaboratorium Fisika Dasar Program Studi Pendidikan fisika FMIPA Universitas Negeri MakassarAbstrakTelah dilakukan praktikum berjudul Kesetaraan Energi dengan tujuan: (1) memahami prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi dan (2) menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanis. Kesetaraan energi yang dimaksud pada praktikum ini adalah kesetaraan antara energi panas dan energi mekanik. Di mana digunakan rangkaian percobaan Joule. Air dalam kalorimeter 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. Energi mekanis pada praktikum ini berasal dari usaha listrik yaitu hasil kali dari tegangan, kuat arus, dan waktu pengaliran arus ke sistem. Sedangkan energi panas diperoleh dengan mengalikan massa, kalor jenis, dan kenaikan suhu selama waktu pengaliran arus. Dilakukan tiga kali pengukuran variabel-variabel tersebut untuk mendapatkan nilai kesetaraan energi. Pada data 1,2, dan 3 berturut-turut diperoleh nilai kesetaraan energi J/kal dengan %perbedaan 37,22%, J/kal dengan %perbedaan 7,72% dan J/kal dengan %perbedaan 4,17%.Kata kunci: Energi mekanis, Energi panas, Kesetaraan energi, Percobaan joule.RUMUSAN MASALAH1. Bagaimana prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi?2. Berapa nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanis?TUJUAN1. Memahami prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi. 2. Menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanis. METODOLOGI EKSPERIMENTeori singkat
Suatu satuan yang umum untuk kalor, yang masih digunakan sekarang, dinamakan kalori. Satuan ini disebut kalori (kal) dan didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperature 1 gram air sebesar 1 derajat celcius. Yang lebih sering digunakan dari kalori adalah kilokalori (kkal), yang besarnya 1000 kalori. Dengan demikian 1kkal adalah kalor yag dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 1 C. kadangkala satu kilokalori disebut Kalori (dengan huruf k besar) (Giancolli, 2001: 489).Gagasan bahwa kalor berhubungan dengan energi dikerjakan lebih lajut oleh sejumlah ilmuan pada tahun 1800-an, terutama oleh seorang pembuat minuman dari inggris, james Prescott Joule (1818-1889). Joule melakukan sejumlah percobaan yang penting untuk menetapkan pandangan kita saat ini bahwa kalor, seperti kerja, mempresentasikan transfer energi. Joule menentukan bahwa sejumlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan 1 kalori (kal) kalor. Nilai ini dikenal sebagai tara kalor mekanik:4,186 J = 1 kal4,186 103 J = kkal Sebagai hasil dari percobaan ini dan yang lainnya, para ilmuan kemudian menginterpretasikan kalor bukan sebagai zat, dan bahkan bukan sebagai bentuk energi. Melainkan kalor, merupakan transfer energi : ketika kalor mengalir dari benda panas ke yang lebih dingin, energi-lah yang ditransfer dari yang panas ke yang dingin. Dengan demikian, kalor merupakan energi yang ditransfer dari satu benda ke yang lainnya karena adanya perbedaan temperatur (Giancolli, 2001: 489-490).Definisi serupa juga diungkapkan oleh Serway & Jewett (2010:39) yang menyatakan bahwa kalor adalah perpindahan energi yang melintasi batas sistem berdasarkan perubahan suhu antara sistem dan lingkungannya.Hukum pertama termodinamika telah menjelaskan tentang hukum kekekalan energi. Hukum ini dapat dijadikan dasar untuk menentukan kesetaraan energi panas (Kalori) dan energi mekanis (Joule). Di dalam Gambar 2.1 diberikan diagram percobaan Joule. Air dalam kalorimeter 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 ..(1)
Gambar. 2.1. Perangkat percobaan Joule di mana V adalah beda potensial ujung-ujung elemen, I adalah kuat arus listrik dalam rangkaian, dan t adalah waktu pengaliran arus ke sistem. Energi panas yang dilepaskan oleh elemen listrik tersebut akan diterima oleh air dan kalorimeter sehingga temperatur sistem menjadi meningkat. Besar energi panas Q yang dibutuhkan oleh air untuk menaikkan temperaturnya sebanding dengan perubahan temperatur T dan massa m, yaitu : Q = m c T(2)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 1 g air dengan 1C, atau 4,18 J energi mekanis atau listrik adalah ekuivalen dengan 1 kal energi panas.(Herman, dkk., 2015: 7-8).Kapasitas kalor per satuan massa benda, yang dinamakan kalor jenis (specific heat), adalah ciri (karakteristik) dari bahan yang membentuk benda tersebut: (Halliday & Resnick, 1985:725)Halliday & Resnick (1985:726) menyatakan bahwa kalor jenis air adalah 1,000 kal/gC dan kalor jenis alumunium adalah 0,215 kal/gC.Alat danBahan1. Alat a. Kalorimeter Joule lengkap1 buahb. Power Supply DC Variabel 1 buahc. Basicmeter2 buahd. Termometer Celcius 1 buahe. Stopwatch 1 buahf. Neraca 311g 1 buahg. Kabel Penghubung 5 buah2. BahanAir secukupnyaIdentifikasi VariabelVariabel yang diukur1. Massa kalorimeter+pengaduk, mkal (g)2. Massa kalorimeter+pengaduk+air, mkal+air (g)3. Massa air, ma (g)4. Tegangan, V (volt)5. Kuat arus listrik, I (A)6. Suhu awal, T0 ()7. Suhu akhir, T ()8. Waktu, t (s)Definisi Operasional Variabel1. Massa kalorimeter+pengaduk adalah massa kalorimeter kosong+pengaduk yang dapat menyerap kalor sebelum diisi air, diukur menggunakan neraca ohauss 311 g. 2. Massa kalorimeter+pengaduk+air adalah massa kalorimeter+pengaduk yang dapat menyerap kalor setelah diisi air, diukur menggunakan neraca ohauss 311 g. 3. Massa air adalah massa kalorimeter+pengaduk+air dikurang dengan massa kalorimeter+pengaduk.4. Tegangan adalah nilai tegangan yang diberikan pada rangkaian joule, terbaca pada voltmeter ketika powersupply DC dengan tegangan tertentu diberikan pada rangkaian tersebut.5. Kuat arus listrik adalah kuat arus listrik yang mengalir melalui amperemeter karena pemberian tegangan pada rangkai joule.6. Suhu awal adalah suhu air yang dijadikan acuan, terbaca pada termometer.7. Suhu akhir adalah suhu saat dialiri arus listrik, terbaca pada termometer.8. Waktu adalah waktu yang dibutuhkan untuk mengalirkan arus, diukur menggunakan stopwatch.ProsedurKerja1. Memastikan semua perangkat percobaan telah tersedia. 2. Merangkaikan percobaan Joule, melakukan pengukuran-pengukuran variabel yang dibutuhkan untuk memperoleh kesetaraan energi panas dan energi mekanis*).3. Memulai melakukan pengukuran dengan memperhatikan data yang diperlukan untuk untuk mencari kesetaraan antara energi panas dan energi mekanik (lihat dalam tabel data hasil pengamatan) *) Gunakan arus yang tidak melampaui 2A, pastikan semua rangkaian telah benar sebelum menyalakan power supply (tanyakan kepada asisten)HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATAHASIL PENGAMATANNST Neraca Ohauss 311 g = 0,01NST Volmeter = 1NST Ammeter = 0,1NST Termometer = 1NST stopwatch = 0,1Tabel 1. Tabel hasil pengamatanBESARAN YANG DIUKURPENGUKURAN KE-
IIIIII
Massa kalorimeter+pengaduk, mkal (g)|48,7000,005||48,7000,005||48,7000,005|
Massa kalorimeter+pengaduk+air, mkal+air (g)|207,5700,005||207,8000,005||253,1800,005|
Massa air, ma (g)|158,870,01||159,100,01||204,480,01|
Tegangan, V (volt)|4,00,5||4,00,5||4,50,5|
Kuat arus listrik, I (A)|0,800,05||0,800,05||0,800,05|
Suhu awal, T0 ()|32,00,5||31,00,5||31,00,5|
Suhu akhir, T ()|33,50,5||33,00,5||33,00,5|
Waktu, t (s)|360,00,1||600,00,1||600,00,1|
ANALISIS DATA1. Data IMassa Kalorimeter + Pengaduk (mk) : | 48,700 0,005 |gramMassa Jenis Kalorimeter (ck) : 0,22 g/cm3Massa Jenis Air (ca): 1 g/cm3SuhuAwal (T0): |32,0 0,5 | CTegangan (V): | 4,0 0,5 |VoltKuatArus (I): | 0,80 0,05 |Massa Air 1: | 158,87 0,01 | gramSuhu Akhir: | 33,5 0,5 | CWaktu: | 360,0 0,1 | sa. Jumlah kalor air b. Jumlah kalor kalorimeter c. Jumlah kalor total
2 AB d. Usaha listrik Tabel 2. Hubungan antara jumlah kalor dan jumlah usaha listrik untuk data 1Jumlah kalor Q (kal)Usaha W (J)
84,792384
169,584768
254,3761152
254,3761536
339,1671920
Analisis grafiky = 6,096x - 192R = 0,942y = mx + c
= 6,096DK = R2 100%DK = 0,942 100%DK = 94,2 %KR = 100% - DKKR = 100% - 94,2 %KR = 5,8 % (3 AB)
0,3536
J/kal
% diff = 0,3722 x 100 %% diff = 37,22 %2. Data IIMassa Kalorimeter + Pengaduk (mk) : | 48,700 0,005 |gramMassa Jenis Kalorimeter (ck) : 0,22 g/cm3Massa Jenis Air (ca): 1 g/cm3SuhuAwal (T0): |31,0 0,5 | CTegangan (V): | 4,0 0,5 |VoltKuatArus (I): | 0,80 0,05 |Massa Air 2: | 159,10 0,01 | gramSuhu Akhir: | 33,0 0,5 | CWaktu: | 600,0 0,1 | sa. Jumlah kalor air 2AB b. Jumlah kalor kalorimeter 2AB c. Jumlah kalor total
2AB d. Usaha listrik 2AB Tabel 3. Hubungan antara jumlah kalor dan jumlah usaha listrik untuk data 2Jumlah kalor Q (kal)Usaha listrik W (J)
84,907768
169,8141152
254,7211536
339,6281920
Analisis grafiky = 4,522x +384R = 1y = mx + c
= 4,522DK = R2 100%DK = 1 100%DK = 100 %KR = 100% - DKKR = 100% - 100 %KR = 0 % (4 AB)
0
J/kal
% diff = 0,0772 x 100 %% diff = 7,72 %3. Data IIIMassa Kalorimeter + Pengaduk (mk) : | 48,700 0,005 |gramMassa Jenis Kalorimeter (ck) : 0,22 g/cm3Massa Jenis Air (ca): 1 g/cm3SuhuAwal (T0): | 31,0 0,5 | CTegangan (V): | 4,5 0,5 |VoltKuatArus (I): | 0,80 0,05 |Massa Air 3: | 204,48 0,01 | gramSuhu Akhir: | 33,0 0,5 | CWaktu: | 600,0 0,1 | a. Jumlah kalor air 2AB b. Jumlah kalor kalorimeter 2AB c. Jumlah kalor total
2AB d. Usaha listrik 2AB Tabel 3. Hubungan antara jumlah kalor dan jumlah usaha listrik untuk data 3Jumlah kalor Q (kal)Usaha listrik W (J)
107,597864
215,1941295
322,7911728
430,3882160
Analisis grafiky = 4,015x +431,5R = 1y = mx + c
= 4,015DK = R2 100%DK = 1 100%DK = 100 %KR = 100% - DKKR = 100% - 100 %KR = 0 % (4 AB)
0
J/kal
% diff = 0,0417 x 100 %% diff = 4,17 %PEMBAHASANPada praktikum ini ingin ditentukan nilai kesetaraan energi panas dengan energi mekanis menggunakan rangkaian percobaan joule. Air dalam kalorimeter 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. Energi mekanis pada praktikum ini berasal dari usaha listrik yaitu hasil kali dari tegangan, kuat arus, dan waktu pengaliran arus ke sistem. Sedangkan energi panas diperoleh dengan mengalikan massa, kalor jenis, dan kenaikan suhu selama waktu pengaliran arus. Kemudian variabel-variabel yang terkait tersebut diukur. Dilakukan tiga kali pengambilan data variabel-variabel tersebut dengan mengubah jumlah air yang akan dipanaskan. Untuk data I dengan massa air sebesar |158,87 0,01| g diperoleh nilai tegangan sebesar |4,0 0,5| volt ,kuat arus listrik |0,80 0,05|,suhu awal |32,0 0,5|. Diukur lama pengaliran arus dan suhu akhirnya sebanyak sepuluh kali. Data terbaik akan dimasukkan ke dalam tabel pengamatan serta dalam perhitungan nilai usaha listrik dan jumlah kalor total. Suhu akhir data terbaik adalah |33,5 0,5|, sehingga perubahan suhunya |1,5 1,0| dengan waktu pengaliran arus |360,0 0,1|.Jumlah kalor total diperoleh melalui penjumlahan kalor air dan kalor kalorimeter di mana c air adalah 1 kal/gC dan c kalorimeter 0,22 kal/gC karena terbuat dari alumunium. Diperoleh nilai kalor total dengan KR dan usaha listrik dengan KR 18,7%. Data waktu pengaliran arus setiap selang waktu dua menit dan kenaikan suhu dihitung jumlah kalor dan usaha listriknya masing-masing kemudian dianalisis grafik. Jumlah kalor di sumbu x dan usaha listrik di sumbu y. Analisis grafik ini digunakan untuk mengetahui nilai kesetaraan energi panas dan energi mekanis berdasarkan nilai gradien garis dari grafik. Diperoleh nilai kesetaraan energi, J/kal KR 5,8% sedangkan menurut teori sehingga didapatkan persen perbedaan dengan teori sebesar 37,22%.Untuk data II dengan massa air sebesar |159,10 0,01| g diperoleh nilai tegangan sebesar |4,0 0,5| volt ,kuat arus listrik |0,80 0,05|,suhu awal |31,0 0,5|. Dilakukan hal yang sama pada data I. Suhu akhir data terbaik adalah |33,0 0,5|, sehingga perubahan suhunya |2,0 1,0| dengan waktu pengaliran arus |600,0 0,1|. Diperoleh nilai kalor total dengan KR 50,15 dan usaha listrik dengan KR 18,77%. Diperoleh nilai kesetaraan energi, J/kal KR 0% sedangkan menurut teori sehingga didapatkan persen perbedaan dengan teori sebesar 7,72%.Untuk data II dengan massa air sebesar |204,48 0,01| g diperoleh nilai tegangan sebesar |4,5 0,5| volt ,kuat arus listrik |0,80 0,05|,suhu awal |31,0 0,5|. Dilakukan hal yang sama pada data I dan data II. Suhu akhir data terbaik adalah |33,0 0,5|, sehingga perubahan suhunya |2,0 1,0| dengan waktu pengaliran arus |600,0 0,1|. Diperoleh nilai kalor total dengan KR dan usaha listrik dengan KR 17,38 %. Diperoleh nilai kesetaraan energi, J/kal KR 0% sedangkan menurut teori sehingga didapatkan persen perbedaan dengan teori sebesar 4,17%.Ketidaksesuaian nilai kesetaraan energi berdasarkan praktikum dan teori diakibatkan kesalahan-kesalahan yang antara lain terjadi karena powersupply DC yang diatur 7 volt hanya terbaca 4 atau 4,5 volt pada voltmeter, alat ukur yang memang memiliki kesalahan mutlak seperti stopwatch 0,1, neraca ohauss 311 g 0,005, dan termometer 0,5, serta kesalahan yang bersumber dari praktikan karena kurang teliti membaca skala pada alat ukur utamanya termometer. SIMPULAN DAN DISKUSIKesimpulanKesetaraan energi yang dimaksud pada praktikum ini adalah kesetaraan antara energi panas dan energi mekanik. Di mana dengan menggunakan rangkaian percobaan Joule. Energi mekanis pada praktikum ini berasal dari usaha listrik yaitu hasil kali dari tegangan, kuat arus, dan waktu pengaliran arus ke sistem. Sedangkan energi panas diperoleh dengan mengalikan massa, kalor jenis, dan kenaikan suhu selama waktu pengaliran arus. Nilai kesetaraan energi yang diperoleh untuk data 1,2, dan 3 berturut-turut adalah J/kal dengan %perbedaan 37,22%, J/kal dengan %perbedaan 7,72% dan J/kal dengan %perbedaan 4,17%.Saran Untuk praktikan, sebaiknya melihat pembacaan skala setiap alat ukur lebih teliti lagi dan lebih cermat dalam mengolah data. Untuk asisten, sebaiknya memastikan alat percobaan berfungsi dengan baik sebelum dilakukan praktikum. Untuk laboran, sebaiknya menyediakan alat yang berfungsi lebih baik karena power supply DC yang digunakan nilai tegangannya tidak terbaca sesuai dengan voltmeter.DAFTAR RUJUKANGiancolli, D.C. 2001. FISIKA Edisi kelima Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
Halliday, D. & Resnick R. 1985. FISIKA Edisi ketiga Jilid 1(Terjemahan). Jakarta: Erlangga.
Herman, dkk. 2015. Penuntun Praktikum Fisika Dasar 2. Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Makassar: Penerbit UNM.
Serway & Jewett. 2010. FISIKA Untuk Sains dan Teknik buku 2 edisi 6 (Terjemahan). Jakarta: Salemba Teknika.
Tipler, Paul A. 2001. FISIKA Untuk Sains dan Teknik jilid 3 (Terjemahan). Jakarta: Erlangga.
.
