Upload
ardy-ramones
View
411
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
HUKUM JOULE
PANAS YANG DITIMBULKAN OLEH ARUS LISTRIK (L1)ARDY RIASTOMO
1113100099
JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA
ABSTRAK
Telah dilakukan percobaan berjudul Hukum Joule Panas yang Ditimbulkan Oleh
Arus Listrik yang bertujuan untuk menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus
listrik, membuktikan hukum Joule dan menentukan harga 1 Joule. Peralatan yang
digunakan dalam percobaan adalahkalorimeter dengan perlengkapannya satu set,
thermometer satu buah, adaptor satu buah, stopwatch satu buah, tahanan geser
(Rg) satu buah, ampermeter (A) dan voltmeter (V) masing-masing satu buah.
Pada percobaan digunakan variasi bentuk rangkaian, besar kuat arus, serta nilai
kenaikan suhu air di dalam kalorimeter. Berdasarkan percobaan yang telah
dilakukan diketahui bahwa panas yang ditimbulkan oleh arus listrik pada sistem untuk
rangkaian 1 adalah 436,695 joule dan untuk rangkaian 2 adalah 390,555 joule,sedangkan
harga 1 joule adalah 1,85919 kalori.
-Kata kunci: Arus listrik, hukum joule, kalorimeter
ii
DAFTAR PUSTAKA
HUKUM JOULE.....................................................................................................ii
DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................iii
BAB I.......................................................................................................................1
1.1. Latar Belakang..........................................................................................1
1.2. Rumusan Masalah.....................................................................................1
1.3. Tujuan........................................................................................................1
BAB II......................................................................................................................2
2.1. Arus Listrik................................................................................................2
2.2. Kalor..........................................................................................................3
2.3. Perpindahan Panas.....................................................................................4
2.4. Hambatan Jenis..........................................................................................6
BAB III....................................................................................................................7
4.1. Alat dan Bahan..........................................................................................7
4.2. Langkah Kerja...........................................................................................7
BAB IV....................................................................................................................9
4.1. Analisa Data..............................................................................................9
4.2. Perhitungan..............................................................................................10
4.3. Grafik.......................................................................................................14
BAB V....................................................................................................................16
DAFTAR PUSTAKA............................................................................................17
iii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Hukum mengenai kekekalan energi mengatakan bahwa pada dasarnya
energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan . Energi hanya dapat
dirubah bentuknya dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi yang lain.
Konsep mengenai kalor muncul dengan didasarkan pada pemikiran bahwa semua
bentuk energi adalah ekuivalen tidak hanya tenaga kalor dan tenaga mekanis saja,
serta pemikiran bahwa sejumlah tenaga yang diberikan dari sesuatu tidak dapat
lenyap tanpa munculnya tenaga berjumlah sama dalam bentuk yang lain. Jadi
yang akan diamati disini adalah mengenai konsep kalor yaitu perubahan energi
dari energi listrik menjadi energi kalor.
1.2. Rumusan Masalah
Permasalahan yang ada dalam percobaan ini adalah untuk Mengamati
perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk yang lain dan mengetahui
bagaimana cara menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik serta
membuktikan hukum Joule
1.3. Tujuan
1. Menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik.
2. Membuktikan Hukum Joule dan menentukan harga 1 Joule.
iv
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. Arus Listrik
Kalau ada aliran netto muatan melewati suatu daerah, dapat dikatakan
bahwa ada arus yang melalui daerah tersebut. Jika sebuah konduktor terisolasi
ditempatkan dalam medan elektrostatik, muatan dalam konduktor itu akan
menyusun diri kembali sehingga menjadikan interior (bagian dalam) konduktor
itu suat u daerah bebas medan, dan dalam daerah ini potensial konstan. Gerak
muatan dalam proses penyusunan diri kembali itu merupakan sebuah arus, dan
arus itu tidak ada lagi kalau medan pada konduktor menjadi nol.
(Zemansky.1986.651)
Jika terminal-terminal baterai dihubungkan dengan jalur penghantar yang
kontinu, akan didapatkan rangkaian listrik. Alat yang diberi daya oleh baterai,
yang mana bisa berupa bola lampu, pemanas, radio, atau apapun. Ketika
rangkaian seperti ini terbentuk, muatan dapat mengalir melalui kawat rangkaian
dari satu terminal baterai ke yang lainnya. Aliran muatan seperti ini disebut arus
listrik. Arus listrik pada kawat didefinisikan sebagai jumlah total muatan yang
melewatinya per satuan waktu pada suatu titik. Dengan demikian, arus rata-rata I
didefinisikan sebagai
I= ΔQΔt ................................................................................................ (2.1)
di mana ∆Q adalah jumlah muatan yang melewati konduktor pada suatu lokasi
selama jangka waktu ∆t. Arus listrik diukur dalam coloumb per detik, satuan ini
diberi nama khusus, ampere (disingkat amp atau A), dari nama fisikawan
Perancis Andre Ampere (1775-1836). Berarti 1 A = 1 C/det. Satuan - satuan
terkecil yang sering kali digunakan adalah seperti miliampere (1 mA = 10-3 A)
dan mikroampere (10-6 A). Pada rangkaian tunggal, arus pada setiap saat sama
v
pada satu titik. Hal ini sesuai dengan kekekalan muatan listrik (muatan tidak
hilang).
(Giancoli.2001.65)
2.2. Kalor
Kalor adalah bentuk energi yang dapat berpindah dari zat yang suhunya
lebih tinggi ke zat yang suhunya lebih rendah jika kedua benda bersentuhan.
Dengan kata lain, kalor adalah bentuk energi yang menaikkan suhu jika bentuk
energi itu diberikan kepada benda tersebut. Akan tetapi, perlu diketahui bahwa
kalor yang diberikan kepada benda tersebut tidak selalu menaikkan suhu. Sebagai
contoh, jika kalor yang diberikan digunakan untuk mengubah wujud, maka suhu
benda itu tidak naik (tetapi tidak berubah). Oleh karena kalor adalah salah satu
bentuk energi seperti halnya energi kinetik, energi potensial, dan lain sebagainya,
maka satuan kalor sama dengan satuan energi yaitu joule (J) atau kilojoule (kJ).
Pada mulanya kalor dianggap sejenis zat alir (disebut kalorik) yang terkandung di
dalam setiap benda dan tidak dapat dilihat oleh mata manusia. Teori kalorik ini
pertama kali dikemukakan oleh Antonie Laurent Lavoiser seorang ahli kimia
berkebangsaan Perancis. Berdasarkan teori inilah maka satuan kalor yang dikenal
sebelumnya diberi nama kalori (kal) atau kilokalori (kkal). Satuan ini masih
sering digunakan untuk menyatakan kandungan energi yang dimiliki oleh
makanan. 1 kalori (kal) sama dengan 4,2 Joule atau satu Joule sama dengan 0,24
kalori (kal). Teori kalorik menyatakan bahwa benda yang suhunya tinggi
mengandung lebih banyak kalorik daripada benda yang suhunya rendah. Ketika
kedua benda disentuhkan maka benda yang kaya kalorik kehilangan sebagian
kaloriknya yang diberikan kepada benda yang sedikit kalorik sampai akhirnya
terjadi kesetimbangan termal (kedua benda suhunya sama). Teori ini dapat
menjelaskan pemuaian benda ketika dipanaskan dan proses hantaran kalor di
dalam sebuah kalorimeter. Akan tetapi, teori ini tidak dapat menjelaskan
mengapa kedua telapak tangan kita akan terasa hangat ketika kita menggesek-
geseknya. Ketika benda panas menyentuh benda dingin, partikel - partikel dalam
benda panas menabrak partikel - partikel dalam benda dingin. Energi termal
vi
partikel - partikel dalam benda dingin betambah sehingga suhunya naik dan
begitu pula dengan partikel dalam benda dingin yang menjadi lebih energetik.
(Dwa Desa Warnana.2007.330 - 331)
Satu kalori (kal) didefinisikan sebagai kalor yang dibutuhkan untuk
menaikkan temperatur 1 gram air sebesar satu derajat celcius. Sedangkan 1 kkal
adalah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar satu
derajat celcius. Kadangkala satu kilokalori disebut Kalori (dengan huruf k besar).
Pada sistem satuan British, kalor diukur dalam satuan termal British (British
thermal unit/Btu). Satu Btu didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk
menaikkan temperatur air sebesar satu derajat Fahrenheit. Sehingga 1 Btu sama
dengan 0,252 kkal sama dengan 1055 Joule.
(Giancoli.2001.489)
2.3. Perpindahan Panas
Energi termal dapat dipindahkan ke atau dari suatu sistem melalui
mekanisme konduksi, konveksi, dan radiasi. Panas adalah energi yang
dipindahkan dari suatu sistem dengan temperatur yang lebih tinggi ke suatu
sistem dengan temperatur yang lebih rendah (di mana keduanya mengalami
kontak) melalui tumbukan partikel - partikel penyusunnya. Konduksi terjadi
ketika energi panas berpindah melalui suatu material sebagai akibat tumbukan
antar elektron, ion, atom, dan molekul bebas material tersebut. Semakin panas
suatu zat, semakin tinggi energi kinetik (EK) rata - rata atomnya. Jika terdapat
perbedaan temperatur antara material - material yang mengalami kontak, ketika
tumbukan atom terjadi antara keduanya, atom - atom dengan energi yang lebih
tinggi di dalam zat yang lebih hangat memindahkan energi ke atom – atom
dengan energi yang lebih rendah di dalam zat yang lebih dingin. Jadi, panas
mengalir dari panas ke dingin. Misalnya pada suatu lempeng dengan ketebalan L
dan luas penampang melintang adalah A. Temperatur kedua permukaannya
adalah T1 - T2. Besar ∆T/L disebut gradien temperatur. Ini merupakan
kecepatan perubahan temperatur terhadap jarak.
vii
Besar panas ∆Q yang dipancarkan dari permukaan 1 ke permukaan 2
dalam waktu ∆t ditentukan oleh :
ΔQΔt
=kT A ΔTL ............................................................................... (2.2)
Di mana kT tergantung dari material lempengan dan disebut konduktivitas
termal material. Dalam SI, kT memiiliki satuan W/m. K dan ∆Q/∆t adalah J/det
(Watt).
Tahanan termal (atau nilai R) suatu lempengan didefinisikan sebagai
persamaan aliran panas dalam bentuk :
ΔQΔt
= A ΔTR dimana R= L
k T ................................................................ (2.3)
Untuk beberapa lempengan dengan luas permukaan yang sama dalam
rangakaian, nilai R gabungan adalah
R=R1+R2+…+RN .............................................................................. (2.4)
Di mana R1 ,....., adalah nilai R dari masing - masing lempengan.
Konveksi energi termal terjadi dalam suatu cairan ketika material yang
hangat mengalir sehingga menggantikan material yang lebih dingin. Contoh
umum adalah aliran udara hangat dari suatu lubang udara suatu alat pemanas dan
aliran air hangat dalam arus. Radiasi adalah cara perpindahan energi
elektromagnetik yang bersinar melalui vakum dan ruang kosong antar atom.
Energi yang bersinar berbeda dengan panas, meskipun keduanya berkaitan dengan
energi yang berpindah.
(Frederick.2006.139 - 140)
viii
2.4. Hambatan Jenis
Kita mungkin menyangka bahwa hambatan kawat yang tebal akan lebih
kecil dari yang tipis karena kawat yang lebih tebal meniliki area yang lebih luas
untuk lewatnya elektron. Dan mungkin akan berpikir bahwa hambatan akan lebih
besar jika panjangnya lebih besar karena akan ada lebih banyak penghalang
untuk aliran elektron. Dan memang ternyata ditemukan pada eksperimen bahwa
hambatan R kawat logam berbanding lurus dengan panjang L dan berbanding
terbalik dengan luas penampang lintang A, yaitu :
R=ρ LA .............................................................................................. (2.5)
di mana ρ, konstanta pembanding, disebut hambatan jenis (resistivitas) dan
bergantung pada bahan yang digunakan. Nilai ρ satuannya adalah Ω.m.
(Giancoli.2001.70)
ix
- +A
- +VE -
+_+- Thermometer
K
Gambar 3.1 Rangkaian (a)
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
4.1. Alat dan Bahan
Peralatan yang digunakan pada percobaan ini adalah satu set kalorimeter
dengan perlengkapannya, satu buah thermometer, satu buah adaptor, satu buah
stopwatch, satu buah tahanan geser (Rg), satu buah ampermeter (A) dan
Voltmeter (V) masing-masing satu buah.
4.2. Langkah Kerja
Cara melakukan percobaan ini pertama disusun peralatan seperti gambar
3.1 kemudian dihubungkan dengan tegangan PLN. Kalorimeter diisi air
sebanyak 100 gram, kemudian diberi tegangan sebesar 14,5 volt dan arus 1,5
Ampere diusahakan konstan dengan mengatur tegangan geser Rg. Dari suhu
15°C hingga 25°C, waktu dicatat setiap kenaikan 1°C. Percobaan pada rangkaian
(a) ini diulang dua kali dengan menggunakan cara yang sama.
x
_ +V
Thermometer
+_AV
Gambar 3.2 Rangkaian (b)
E -+
K
Lalu susun peralatan seperti gambar 3.2, dengan menggunakan rangkaian
(b) dan dilakukan dengan cara yang sama serta pengulangan yang sama.
xi
BAB IV
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
4.1. Analisa Data
Tabel 4.1 Waktu setiap pertambahan suhu untuk kuat arus 0,4 A dengan Rangkaian 1
No Massa air + gelas (g)
V (Volt) T (oC) t (menit)
1 200 8 13-14 1,452 200 8 14-15 2,203 200 8 15-16 2,594 200 8 16-17 2,19
Tabel 4.2 Waktu setiap pertambahan suhu untuk kuat arus 0,5 A dengan Rangkaian 1
No Massa air + gelas (g)
V (Volt) T (oC) t (menit)
1 200 10 17-18 1,412 200 10 18-19 1,323 200 10 19-20 1,334 200 10 20-21 2,19
Tabel 4.3 Waktu setiap pertambahan suhu untuk kuat arus 0,4 A dengan Rangkaian 2
No Massa air + gelas (g)
V (Volt) T (oC) t (menit)
1 200 8 13-14 1,002 200 8 14-15 1,363 200 8 15-16 2,464 200 8 16-17 2,00
xii
Tabel 4.4 Waktu setiap pertambahan suhu untuk kuat arus 0,5 A dengan Rangkaian 2
No Massa air + gelas (g)
V (Volt) T (oC) t (menit)
1 200 10 17-18 1,182 200 10 18-19 1,263 200 10 19-20 1,494 200 10 20-21 2,12
4.2. Perhitungan
Dari data yang diperoleh pada percobaan, selanjutnya dilakukan perhitungan untuk mengetahui nilai kalor pada sistem.Contoh:1. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 1,45 menit = 87 detik massa air + gelas = 200 g
massa gelas = 50,4 g Tm = 13 oC Ta = 17 oC
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm)= 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oCH = V.i.t = 8 . 0,4. 87 = 404,64 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/404,64 = 1,86335 goC
2. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 2,19 menit = 131,4
detik
massa air + gelas = 200 g massa gelas = 50,4 g Tm = 13 oC Ta = 17 oC
xiii
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oCH = V.i.t = 8 . 0,4. 131,4 = 420,48 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/420,48 = 1,65045 g oC
3. Diketahui: V = 10 Volt I = 0,5 A t = 1,41 menit = 84,6 detik massa air + gelas = 200 g
massa gelas = 50,4 g Tm = 17oC Ta = 21 oC
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 84,6 = 423 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/423= 1,78247 g oC
4. Diketahui: V = 10 Volt I = 0,5 A t = 2,19 menit = 131,4
detik
massa air + gelas = 200 g
massa gelas = 50,4 g Tm = 17oC Ta = 21 oC
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 g
xiv
Q1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 131,4 = 657 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/657= 1,14762 g oC
5. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 1menit = 60 detik massa air + gelas = 200
g
massa gelas = 50,4 g Tm = 13 oC Ta = 17 oC
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oCH = V.i.t = 8. 0,4 . 60 = 192 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/192= 3,92700 g oC
6. Diketahui: V = 8 Volt I = 0,4 A t = 2 menit = 120detik massa air + gelas = 200
g
massa gelas = 50,4 g Tm = 13 oC Ta = 17 oC
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (17-13) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (17-13) = 155,584 g oC
xv
H = V.i.t = 8. 0,4 .120 = 384 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/384= 1,96350 g oC
7. Diketahui: V = 10 Volt I = 0,5 A t = 1,18 menit =
70,8detik
massa air + gelas = 200 g
massa gelas = 50,4 g Tm = 17 oC Ta = 21 oC
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oCQ2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 70,8 = 354 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/354 = 2,12990 g oC
8. Diketahui: V = 10 Volt I = 0,5 A t = 2,12 menit = 127,2
detik
massa air + gelas = 200 g
massa gelas = 50,4 g Tm = 17 oC Ta = 21 oC
Maka:w = massa air + gelas – massa gelas = 200g-50,4g = 149,6 gQ1 = w (Ta-Tm) = 149,6 (21-17) = 598,4 g oC
xvi
Q2 = 0,26 w (Ta-Tm) = 0,26. 149,6. (21-17) = 155,584 g oCH = V.i.t = 10. 0,5 . 127,2 = 636 JJoule = (Q1 + Q2) / H = (598,4 + 155,584)/636 = 1,18551 g oC
Hasil perhitungan selengkapnya dapat dilihat pada tabel berikut:Tabel 4.5 Hasil perhitungan pada rangkaian 1 dengan kuat arus 0,4 A
No T (oC) t (menit
)
H (Joule)
Q1+Q2 (goC) Joule (goC)
1 13-14 1,45 278,40
753,984
2,708282 14-15 2,20 422,40 1,785003 15-16 2,59 497,28 1,516224 16-17 2,19 420,48 1,79315
H rata-rata 404,64 Joule rata-rata
1,86335
Tabel 4.6 Hasil perhitungan pada rangkaian 1 dengan kuat arus 0,5 ANo T (oC) t
(menit)
H (Joule)
Q1+Q2 (goC) Joule (goC)
1 17-18 1,41 423
753,984
1,782472 18-19 1,32 396 1,904003 19-20 1,33 399 1,889684 20-21 2,19 657 1,14762
H rata-rata 468,75 Joule rata-rata
1,60850
Tabel 4.7 Hasil perhitungan pada rangkaian 2 dengan kuat arus 0,4 ANo T (oC) t H Q1+Q2 (goC) Joule (goC)
xvii
(menit)
(Joule)
1 13-14 1,00 192
753,984
3,927002 14-15 1,36 261,12 2,887503 15-16 2,46 472,32 1,596344 16-17 2,00 384 1,96350
H rata-rata 327,36 Joule rata-rata
2,30323
Tabel 4.8 Hasil perhitungan pada rangkaian 2 dengan kuat arus 0,5 ANo T (oC) t
(menit)
H (Joule)
Q1+Q2 (goC) Joule (goC)
1 17-18 1,18 354
753,984
2,129902 18-19 1,26 378 1,994673 19-20 1,49 447 1,686774 20-21 2,12 636 1,18551
H rata-rata 453,75 Joule rata-rata
1,66167
4.3. Grafik
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
5
10
15
20
f(x) = 1.30381791899323 x + 12.8017629885774
t (menit)
T (o
C)
Grafik 4.1 Nilai T sebagai fungsi t rangkaian 1 untuk kuat arus 0,4 A
xviii
0 1.41 1.32 1.33 2.1905
10152025
f(x) = x + 16
t (menit)T
(oC)
Grafik 4.2 Nilai T sebagai fungsi t rangkaian 1 untuk kuat arus 0,5 A
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
5
10
15
20
f(x) = 1.51720611773075 x + 12.9305308554153
t (menit)
T (o
C)
Grafik 4.3 Nilai T sebagai fungsi t rangkaian 2 untuk kuat arus 0,4 A
0 0.5 1 1.5 2 2.505
10152025
f(x) = 1.91659646166807 x + 16.6809182813816
t (menit)
T (o
C)
Grafik 4.4 Nilai T sebagai fungsi t rangkaian 2 untuk kuat arus 0,5 A
xix
BAB V
KESIMPULAN
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Panas yang ditimbulkan oleh arus listrik pada sistem untuk rangkaian 1 adalah 436,695 joule dan untuk rangkaian 2 adalah 390,555 joule.
2. Harga 1 joule adalah 1,85919 kalori.
xx
DAFTAR PUSTAKA
Douglas, Giancoli.2001.”Fisika 2”.Erlangga:Jakarta
Dwa Desa Warnana.2007.”Fisika 2”.Binacipta:Bandung
Frederick.2006.”University of Physics”.Wesley Publishing:Washington
Sears and Zemansky.1986.”Fisika Universitas II”.Erlangga:Jakarta
xxi