Kalor, Kalor Jenis & Asas Black — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menghitung kalor yang diserap atau dilepas zat lewat $Q = m \, c \, \Delta T$ , serta menentukan suhu akhir campuran dua zat menggunakan asas Black.

Tuangkan kopi panas ke gelas dingin, beberapa menit kemudian suhunya seragam di tengah-tengah. Campur air bekas es ke air mendidih, hasilnya hangat. Kalor selalu mengalir dari benda panas ke benda dingin sampai keduanya sama suhunya, dan tidak ada kalor yang hilang dalam perjalanan. Geser slider di bawah dan saksikan sendiri bagaimana massa dan jenis zat menentukan seberapa besar kalor yang berpindah.

Geser slider massa dan kenaikan suhu, lalu perhatikan kalor Q yang dibutuhkan naik beriringan.

Kalor: Q = m c delta T

Kalor adalah energi panas yang berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Besarnya bergantung pada tiga hal: massa zat, jenis zat, dan besar kenaikan suhunya.

$Q = m \, c \, \Delta T$

Arti tiap simbol: $Q$ = kalor (joule), $m$ = massa (kilogram), $c$ = kalor jenis (J/kg·K), $\Delta T$ = perubahan suhu (Kelvin atau Celsius selisih). Tanda $Q$ positif untuk kalor diserap, negatif untuk kalor dilepas.

Kalor jenis ( $c$ ) adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu satu kilogram suatu zat sebesar satu Kelvin.

Bayangkan kalor sebagai air yang kamu masukkan ke ember. Bila embernya besar (massa besar), butuh air lebih banyak untuk naik satu tinggi. Bila embernya terbuat dari bahan “menyimpan air” dengan baik (kalor jenis besar), butuh air lebih banyak juga. Air (4200 J/kg·K) adalah salah satu bahan yang paling “boros” — sebabnya air dipakai pendingin mesin.

Bandingkan dua zat umum di bawah. Garis air jauh lebih curam daripada besi — untuk kenaikan suhu yang sama, air butuh kalor lebih dari sembilan kali besi. Inilah sebabnya panci besi cepat panas sementara air di dalamnya lama mendidih.

Asas Black: kalor lepas = kalor terima

Saat dua benda bersuhu berbeda dicampur dan tidak ada kalor yang lolos ke lingkungan, kalor yang dilepas benda panas sama persis dengan kalor yang diserap benda dingin. Inilah asas Black.

$Q_{\text{lepas}} = Q_{\text{terima}}$

Arti tiap simbol: $Q_{\text{lepas}}$ = kalor yang dilepas benda bersuhu tinggi (joule), $Q_{\text{terima}}$ = kalor yang diserap benda bersuhu rendah. Ditulis penuh: $m_p \, c_p \, (T_p - T_a) = m_d \, c_d \, (T_a - T_d)$ , dengan $T_a$ = suhu akhir campuran.

Diagram alir di bawah memperagakan keseimbangan ini secara konseptual. Kotak kiri adalah benda panas yang melepas kalor, kotak kanan benda dingin yang menerima. Saat suhu akhir tercapai, lebar anak panah dari kedua sisi sama — itulah inti asas Black. Seret titik sudut untuk merasakannya.

Kalor jenis berbeda antar zat

Zat	$c$ (J/kg·K)	Sifat
Air	4.200	sangat tinggi
Aluminium	900	sedang
Besi	450	rendah
Tembaga	390	rendah
Raksa	140	sangat rendah

Setiap zat punya “sifat menyimpan panas” sendiri. Bahan dengan $c$ besar butuh kalor banyak untuk naik satu derajat — dan juga melepas kalor banyak saat turun satu derajat. Itu sebabnya pemanas rumah sering pakai air: air menyimpan banyak energi panas dalam volume kecil. Grafik di bawah membandingkan kemiringan beberapa zat untuk massa sama.

Suhu akhir campuran

Dari asas Black kita bisa menebak suhu akhir campuran dua zat. Bila massa dan kalor jenis keduanya berbeda, suhu akhir berat sebelah ke arah benda yang punya “kapasitas panas” $m \cdot c$ lebih besar. Massa air panas yang ditambah ke air dingin akan menggeser suhu akhir menuju suhu air panas.

Grafik di bawah menunjukkan suhu akhir campuran 0,2 kg air dingin 20 °C dengan massa air panas 80 °C yang bisa diubah. Makin banyak air panas, suhu akhir makin dekat ke 80 °C.

Soal kalor dan asas Black adalah tulang punggung elemen kalor-termodinamika TKA Fisika (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Tiga tipe lazim: (1) hitung $Q$ dari $m$ , $c$ , $\Delta T$ ; (2) tentukan suhu akhir campuran dua zat; (3) cari salah satu besaran tak diketahui (mis. $c$ zat asing) dari kesetimbangan kalor. Jebakan klasik: lupa memberi tanda negatif pada kalor yang dilepas, atau memakai satuan massa gram padahal $c$ dalam J/kg·K — rapikan dulu ke SI.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. 0,3 kg air pada 90 °C dituangkan ke bejana berisi 0,5 kg air pada 20 °C. Anggap tidak ada kalor yang hilang ke bejana dan lingkungan. Berapa suhu akhir campuran? (Kalor jenis air $4.200$ J/kg·K.)

Kalor yang dilepas air panas = kalor yang diserap air dingin: $m_p \, c \, (T_p - T_a) = m_d \, c \, (T_a - T_d)$ . Karena sama-sama air, $c$ di kedua sisi dicoret.

$0{,}3 \times (90 - T_a) = 0{,}5 \times (T_a - 20)$ . Pindahkan suku: $27 - 0{,}3 T_a = 0{,}5 T_a - 10$ .

$27 + 10 = 0{,}5 T_a + 0{,}3 T_a \Rightarrow 37 = 0{,}8 T_a \Rightarrow T_a = 46{,}25$ °C. Jadi suhu akhir campuran sekitar 46 °C — masuk akal karena air dingin lebih banyak, jadi suhu akhir lebih dekat ke 20 °C daripada 90 °C.

Jebakan: menyamakan kalor dengan suhu. Yang benar: suhu mengukur derajat panas (Kelvin), sedangkan kalor adalah energi panas yang berpindah (joule). Gunung es bersuhu rendah tetapi menyimpan kalor raksasa karena massanya besar dan $c$ esnya lumayan.

Jebakan: lupa memberi tanda pada kalor yang dilepas. Yang benar: kalor dilepas bernilai negatif ( $Q < 0$ karena $\Delta T < 0$ ). Di asas Black, pakai nilai mutlak kedua sisi: $|m_p c_p (T_p - T_a)| = |m_d c_d (T_a - T_d)|$ .

Jebakan: mencampur satuan gram dengan kalor jenis SI. Yang benar: rapikan dulu — bila $c$ dalam J/kg·K, ubah massa ke kilogram. Atau bila $c$ dalam J/g·K, biarkan massa dalam gram. Yang penting konsisten.

Kalor: $Q = m \, c \, \Delta T$ ; positif diserap, negatif dilepas.
Kalor jenis $c$ = kalor per kilogram per Kelvin; air paling tinggi (4200 J/kg·K).
Asas Black: $Q_{\text{lepas}} = Q_{\text{terima}}$ pada sistem tertutup.
Suhu akhir campuran berat sebelah ke arah zat dengan kapasitas $m \cdot c$ lebih besar.
Bedakan suhu (Kelvin) dari kalor (joule); rapikan satuan sebelum menghitung.