Azas Black: Konsep dan Aplikasinya

Salah satu konsep yang paling menarik dalam fisika, yaitu mengenai azas Black. Bagaimana tidak, konsep ini menjelaskan bagaimana pelepasan dan penyerapan kalor terjadi ketika ada interaksi termal dua benda atau lebih terjadi. Sebagai contoh, dalam kehidupan sehari-hari, sering kali kita menemui kasus buliran air pada permukaan wadah minuman yang dikeluarkan dari sebuah lemari pendingin-tentunya ketika minuman tersebut dibiarkan diudara terbuka. Lalu mengapa bisa terjadi seperti itu? Ketika suatu minuman yang mempunyai temperature sangat rendah dibiarkan dalam keadaan temperature lingkungan, interaksi termal akan terjadi antara udara sekitar dengan minuman tersebut. Udara sekitar akan melepas kalor keminuman, pelepasan kalor ini menjadikan perubahan wujud dari gas menjadi cair. Dengan mudah dapat kita amati, buliran air di permukaaan wadah minuman yang tiada lain berasal dari udara yang mengalami proses pengembunan. Sementara itu, disisi yang berbeda minuman akan menyerap kalor dari udara sehingga temperaturnya naik.

Dalam pernyataan matematis, azas Black sangat sederhana karena hanya menyatkan kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima. Tetapi, pada kenyataanya proses pelepasan dan penerimaan kalor oleh suatu zat , tidak bersifat tunggal, dapat saja melibatkan kalor untuk menaikan suhu zat dan mengubah wujud zat. Bentuk azas Black dapat dituliskan sebagai berikut:

Perlu diperhatikan bahwa dalam penyelesaian permasalahan, harus jeli, zat mana yang melepas dan menyerap kalor. Ini akan berdampak pada penentuan perubahan temperature pada kedua zat. Untuk memahami azas Black, perhatikanlah beberapa contoh soal di bawah ini.

Kaji-1: Sebuah logam Y akan ditentukan kalor jenisnya dimasukkan kedalam sebuah kalorimeter. Massa logam Y adalah 200 gram, suhu awalnya 98^oC. Diketahui bahwa kalorimeter terbuat dari bahan polisterina-yaitu bahan yang hampir tidak dapat menyerap kalor. Di dalam kalorimeter terdapat air sebanyak 1 kg dengan suhu 25^oC. Sebuah kalorimeter diaduk sehingga mencapai suhu setimbang 28^oC, tentukanlah kalor jenis zat Y ( cair = 1 kal/g^oC)

Jawab:
Besaran yang diketahui


Kalor jenis Zat Y dapat dihitung dengan menggunakan Azas Black






Latih-1: Sebuah logam X akan ditentukan kalor jenisnya dimasukkan kedalam sebuah kalorimeter. Massa logam Y adalah 400 gram, suhu awalnya 88^oC. Diketahui bahwa kalorimeter terbuat dari bahan polisterina-yaitu bahan yang hampir tidak dapat menyerap kalor. Di dalam kalorimeter terdapat air sebanyak 800 gram dengan suhu 25^oC. Sebuah kalorimeter diaduk sehingga mencapai suhu setimbang 38^oC, tentukanlah kalor jenis zat Y ( c_air = 1 kal/g^oC)

Kaji-2: Sebuah gelas memiliki kapasitas kalor sebesar 70J/C dan suhunya 20^oC. Kedalam gelas tersebut dimasukkan 100 gram air bersuhu T. Setelah terjadi kesetimbangan termal, gelas dan air bersuhu 80^oC. Jika kalor yang dilepaskan oleh air hanya diserap oleh gelas, tentukanlah nilai suhu awal air (c_air = 4200 J/kgC)!

Jawab:
Besaran yang diketahui


Temperatur awal air adalah




Latih-2: Sebuah gelas memiliki kapasitas kalor sebesar 50J/C dan suhunya 20^oC. Kedalam gelas tersebut dimasukkan 80 gram air bersuhu T. Setelah terjadi kesetimbangan termal, gelas dan air bersuhu 60^oC. Jika kalor yang dilepaskan oleh air hanya diserap oleh gelas, tentukanlah nilai suhu awal air (c_air = 4200 J/kgC)!

Kaji-3: Sebuah kalorimeter tembaga 200 gram dapat menampung 150 gram minyak pada temperature 20^oC. Kedalam minyak ditambahkan 80 gram Aluminium dengan temperature 300^oC. Tentukanlah temperature setelah mencapai kesetimbangan (c_Cu = 0.093 kal/g^oC; c_Al= 0.21 kal/g^oC; c_minyak = 0.37 kal/g^oC)

Jawab:
Besaran yang diketahui


Temperatur kesetimbangan diperoleh dengan Azas Black








Latih-3: Sebuah kalorimeter tembaga 200 gram dapat menampung 150 gram minyak pada temperature 20^oC. Kedalam minyak ditambahkan 80 gram Aluminium dengan temperature 300^oC. Tentukanlah temperature setelah mencapai kesetimbangan (c_Cu = 0.093 kal/g^oC; c_Al= 0.21 kal/g^oC; c_minyak = 0.37 kal/g^oC)

Kaji-4: Dalam sebuah kaleng kalorimeter (yang secara termal berprilaku layaknya 40 g air) terdapat 200 g air dan 50 g es, semua tepat pada 0^oC. Kedalamnnya dituangkan 30 g air pada suhu 90^oC. Bagaimanakah kondisi akhir sistem tersebut (c_air = 1kal/g^oC; c_es = 0.5 kal/g^oC)!

Jawab:
Besaran yang diketahui


Keadaan akhir sistem dapat dihitung dengan menggunakan Azas Black

Karena suhu akhir di bawah nol derajat, hal tersebut menunjukkan bahwa sebagian es melebur sehingga suhu akhirnya adalah nol derajat celcius.

Latih-4: Dalam sebuah kaleng kalorimeter (yang secara termal berprilaku layaknya 40 g air) terdapat 200 g air dan 50 g es, semua tepat pada 0^oC. Kedalamnnya dituangkan 30 g air pada suhu 90^oC. Bagaimanakah kondisi akhir sistem tersebut (c_air = 1kal/g^oC; c_es = 0.5 kal/g^oC)!

Kaji-5: Es dengan suhu -8^oC dan bermassa m₁ gram dicampur dengan air bersuhu 12^oC dan bermassa  m₂ gram. Pada saat terjadi kesetimbangan suhu, sebagian es melebur. Diketahui kalor jenis air dan es adalah 1 kal/g^oC dan 0.5 kal/g^oC. Tentukanlah massa es yang melebur!

Jawab:
Besaran yang diketahui


Massa es yang melebur (mx) dapat dihitung dari keadaan setimbang sistem.


 



Latih-5: Es dengan suhu -10^oC dan bermassa m₁ gram dicampur dengan air bersuhu 15^oC dan bermassa  m₂ gram. Pada saat terjadi kesetimbangan suhu, sebagian es melebur. Diketahui kalor jenis air dan es adalah 1 kal/g^oC dan 0.5 kal/g^oC. Tentukanlah massa es yang melebur!

Kaji-6: Sebongkah tembaga bermassa 20 gram dan bersuhu 130^oC dimasukkan kedalam kalorimeter berisi air dengan suhu 30^oC. Suhu akhir campuran adalah 33^oC. Jika percobaan ini diulangi kembali dengan menggunakan kondisi awal yang sama kecuali massa tembaga yang dipakai diubah menjadi m, maka suhu akhir campuran 35^oC. Jika kalorimeter tidak menyerap kalor, tentukanlah nilai m tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Keadaan setimbang untuk keadaan pertama (1)






Keadaan setimbang untuk keadaan kedua (2)




Bandingkan keadaan (1) dengan keadaan (2)


Latih-6: Sebongkah tembaga bermassa 10 gram dan bersuhu 125^oC dimasukkan kedalam kalorimeter berisi air dengan suhu 20^oC. Suhu akhir campuran adalah 23^oC. Jika percobaan ini diulangi kembali dengan menggunakan kondisi awal yang sama kecuali massa tembaga yang dipakai diubah menjadi m, maka suhu akhir campuran 25^oC. Jika kalorimeter tidak menyerap kalor, tentukanlah nilai m tersebut!