KESETARAAN ENERGIRafika Rahmatia*), Isma Ika Pratiwi, Muhammad Fathur RahmatLaboratorium Fisika Dasar, Program Studi Pendidikan Fisika 2014, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri MakassarAbstrakTelah dilakukan eksperimen yang berjudul Kesetaraan Energi. Tujuan dilakukan percobaan ini adalah untuk memahami prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi dan menentukan nilai kesetaraan energi panas dan energy mekanis. Parktikum ini dilakukan dengan memanipulasi lama pemanasan yaitu 120 s, 240 s, 360 s, dan 480 s dengan pengambilan data sebanyak dua kali.. Berdasarkan hasil praktikum, diperoleh nilai kalor , , , dan , dan nilai usaha (W) yang diperoleh adalah , , , dan . Prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi terjadi ketika ada pengubahan energi listrik atau energi mekanis menjadi energi panas sehingga mengakibatkan terjadi kenaikan suhu didalam kalorimeter. Nilai kesetaraan energy yang diperoleh berdasarkan praktikum ini dari data pertama dan data kedua adalah /kalori. Kata kunci: kalor, kalor jenis, kapasitas kalor, kesetaraan energi, energi mekanisRUMUSAN 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 SingkatHukum pertama termodinamika telah menjelaskan tentang hukum kekekalan energi. Hukum ini dapat dijadikan dasar untuk menentukan kesetaraan energi panas (kalori) dan energi mekanis (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 berikut:W = V I t .... (1.1)

Gambar.2.1.Perangkat percobaan jouledimana 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 perubahantemperatur T dan massa m,yaitu:Q = m c T ..... (1.2)dimana c adalah kalor jenis air. Hasil eksperimen-eksperimen sesudahnya adalah bahwa dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanis atau listrik (joule) untuk meningkatkan temperatur 1 g air dengan 1 C, atau J energi mekanis atau listrik adalah ekuivalan dengan 1 kal energi panas (Herman, 2015: 7-8).Pada tahun 1984, komunitas ilmiah memutuskan bahwa panas merupakan energi yang ditransfer, maka satuan SI yang digunakan untuk panas harus seperti dengan satuan yang digunakan untuk energi yaitu joule. Sementara kalori saat ini didefinisikan menjadi tepat 4,1868 J, tanpa mengacu kepada pemanasan air (Resnick, 2005: 522).Temperatur (suhu) kita kenal sebagai ukuran panas atau dinginnya suatu benda. Secara lebih tepat, temperatur merupakan ukuran energi kinetik molekuler internal rata-rata sebuah benda. Bila sebuah benda dipanaskan atau didinginkan, sebagian dari sifat fisisnya berubah. Sebagai contoh, kebanyakan padatan dan cairan memuai bila dipanaskan (Tipler 1991: 560-561).Menurut Halliday (1978: 722), Kalor adalah sesuatu yang dipindahkan diantara sebuah sistem dan sekelilingnya sebagai akibat dari hanya perbedaan temperatur.Alat dan Bahan1. Alata. Kalorimeter Joule lengkap1 buahb. Power Supply DC Variabel1 buahc. Bacismeter2 buahd. Termometer celcius1 buahe. Stopwatch 1 buahf. Neraca Ohauss 311 gram 1 buahg. Kabel penghubung4 buah2. BahanAir secukupnyaIdentifikasi Variabel1. Variabel kontrol: Suhu awal (To), massa kalorimeter kosong (mkal).1. Variabel manipulasi: Waktu (t), dan massa air (mair)1. Variabel respon: Suhu akhir (Tc), tegangan (V), kuat arus listrik (I).Definisi Operasional Variabel1) Variabel kontrola. Suhu awal (To) adalah suhu yang telah ditetapkan nilainya terlebih dahulu dan nilai tersebut sebagai titik acuan dimana stopwatchnharus dinyalakan.b. Massa kalorimeter kosong adalah nilai yang diperoleh dari hasil pengukuran kalorimeter kosong dengan pengaduknya menggunakan neraca ohaus 311 gram. Satuannya adalah gram (g).2) Variabel manipulasia. Waktu adalah lamanya pemberian kalor untuk menaikkan suhu air dalam calorimeter. Pengukuran dilakukan dengan menggunakan stopwatch dan satuannya adalah sekon. Lama pemanasan dimanipulasi sebanyak lima kali, yaitu 120 s, 240 s, 360 s, 480 s, dan 600 s.b. Massa air adalah banyak air yang digunakan dalam percobaan. Massa air diperoleh dari massa kalorimeter + air dikurangi massa calorimeter kosong dan satuannya adalah gram.3) Variabel respona. Suhu akhir adalah nilai suhu yang diperoleh pada selang waktu yang telah ditentukan. Satuanya adalah derajat celcius (C).b. Tegangan adalah nilai yang terbaca di voltmeter setelah dialir listrik dari sumber daya (power supply). Satuannya adalah volt.c. Kuat arus listrik adalah jumlah muatan listrik yang mengalir pada suatu penghantar yang diukur dengan menggunakan amperemeter dengan satuan ampere (A).Prosedur Kerja1. Menimbang kalorimeter dengan pengaduknya dengan menggunakan neraca ohauss 311 gram.2. Memasukkan air kedalam kalorimeter dan menimbang kembali.3. Merangkai basicmeter, power supply, kilometer, dan kabel penghubung.4. Menyalakan power supply. Mengukur tegangan dan kuat listrik yang mengalir.5. Menentukan suhu acuan sebagai suhu awal. 6. Mengamati kenaikan suhu pada termometer dan menyalakan stopwatch tepat pada saat temometer menunjukkan suhu acuan7. Mengamati penunjukan suhu selama selang waktu 1 menit pada setiap data. Mencatat penunjukan suhu sebagai suhu akhir.8. Lakukan kegiatan yang sama dengan menggunakan massa air yang berbeda tetapi perbedaan yang tidak terlalu besar.9. Catat hasil yang diperoleh dalam tabel pengamatan.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATAHasil PengamatanNST Neraca Ohauss 311 gram= = = 0,01 gram/skalaNST Termometer= = 1C/skalaNST Stopwatch = = 0,1 s/skalaNST Voltmeter= 1 V/skalaNST Ammeter= 0,02 A/skalaData pertamaMassa kalorimeter kosong + pengaduk = |49,100 0,005|.10-3 kgMassa calorimeter + air= |239,860 0,005|.10-3 kgMassa air= |190,760 0,005|.10-3 kgTegangan (V)= |2,0 0,5| voltKuat arus (I)= |0,65 0,02 | AmpereSuhu awal (T0)= |29,0 0,5 | Tabel 1. Perubahan suhu (Tf) pada waktu tertentu (t)No.Lama Pemanasan (s)Suhu akhir (Tf) ()

1

2

3

4

Data KeduaMassa kalorimeter kosong + pengaduk = |49,100 0,005|.10-3 kgMassa calorimeter + air= |232,150 0,005|.10-3 kgMassa air= |183,050 0,005|.10-3 kgTegangan (V)= |2,0 0,5| voltKuat arus (I)= |0,65 0,02 | AmpereSuhu awal (T0)= |30,0 0,5 | Tabel .2 Perubahan suhu (Tf) pada waktu tertentu (t)No.Lama Pemanasan (s)Suhu akhir (Tf) ()

1

2

3

4

ANALISIS DATAUntuk massa air 1Massa kalorimeter kosong = Massa kalorimeter + air= Massa air= Beda potensial = Kuat arus listrik = Suhu awal air dalam kalorimeter (T0)= Kalor jenis kalorimeter(ck) = 0,22 Kalor jenis air (ca) = 1 1. Energi kalor air dan aluminium (kalori)a. Untuk lama pemanasan dan Tf = 1) Qair = m.cair.T =

= 190,763 kalori kalori2) Qal = m.cal.T = = 5,401 kalori

=

kalori.3)

201,74 kaloriKR = x 100 % = x 100% = 200% (2AB)Qtot1 = |1,0 2,0| x 102 kalorib. Untuk lama pemanasan dan Tf = Dengan menggunakan cara yang sama pada bagian (a), diperoleh data hasil perhitungan sebagai berikut:1) Qair= orikalori kalori2) Qkal = 10,802 kalori=

kalori.3) 201,562 kaloriKR = % (2 AB)Qtot2 = |2,0 2,0| x 102 kaloric. Untuk lama pemanasan dan Tf = Dengan menggunakan cara yang sama pada bagian (a), diperoleh data hasil perhitungan sebagai berikut:1) Qair= orikalori kalori2) Qkal = 10,802 kalori=

kalori.3) 201,562 kaloriKR = % (2 AB)Qtot3 = |2,0 2,0| x 102 kalorid. Untuk lama pemanasan dan Tf = Dengan menggunakan cara yang sama pada bagian (a), diperoleh data hasil perhitungan sebagai berikut:1) Qair= orikalori kalori2) Qkal = 16,203 kalori=

kalori.3) 197,97 kaloriKR = % (2 AB)Qtot3 = |2,9 1,9| x 102 kalori2. Energi usaha (W) pada air dan kalorimetera. Untuk lama pemanasan W1 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(120 s) = 156 Joule W 156 J= 51,141 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W1 = |1,6 0,5 | x 102 Jb. Untuk lama pemanasan W2 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(240 s) = 312 Joule W 312 J= 102,155 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W2 = |3,1 1,0 | x 102 Jc. Untuk lama pemanasan W3 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(360 s) = 468 Joule W 468 J= 153,1167 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W3 = |4,7 1,5 | x 102 Jd. Untuk lama pemanasan W4 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(480 s) = 624 Joule W 624 J= 204,179 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W4 = |6,2 2,0 | x 102 JTabel 3. Hubungan antara kalor (Q) dengan usaha (W)Q (Kalori)W (Joule)

100,781156

201.562312

201,562468

296,943624

Berdasarkan tabel diatas, berikut ditampilkan grafik hubungan antara kalor (Q) dengan usaha (W).

Grafik 1. Hubungan antara kalor (Q) dengan usaha (W)Analisis grafik untuk massa 1y = 2,3849x 87,482R = 0,8997Y= mx + c

m = = 2,385DK = R2 100% = 0,8997 100% = 89,9 %KR = 100% - DK = 100% - 89,9 % = 10,1 % (2 AB)

0,241 J/kal = 54,81 %

Untuk massa air 2Massa kalorimeter kosong + pengaduk = |49,100 0,005|.10-3 kgMassa calorimeter + air= |232,150 0,005|.10-3 kgMassa air= |183,050 0,005|.10-3 kgTegangan (V)= |2,0 0,5| voltKuat arus (I)= |0,65 0,02 | AmpereSuhu awal (T0) = |30,0 0,5 | Kalor jenis kalorimeter(ck) = 0,22 Kalor jenis air (ca) = 1 0. Energi kalor air dan aluminium (kalori)0. Untuk lama pemanasan dan Tf = 1) Qair = m.cair.T =

= 183,053 kalori kalori2) Qal = m.cal.T = = 5,401 kalori

=

kalori.3)

193,86 kaloriKR = x 100 % = x 100% = 200% (2AB)Qtot1 = |0,9 1,9| 102 kalori2. Untuk lama pemanasan dan Tf = Dengan menggunakan cara yang sama pada bagian (a), diperoleh data hasil perhitungan sebagai berikut:1) Qair= orikalori kalori2) Qkal = 10,802 kalori=

kalori.3) kaloriKR = % (2 AB)Qtot2 = |2,0 1,9| x 102 kalori2. Untuk lama pemanasan dan Tf = Dengan menggunakan cara yang sama pada bagian (a), diperoleh data hasil perhitungan sebagai berikut:1) Qair= orikalori kalori2) Qkal = 10,802 kalori=

kalori.3) kaloriKR = % (2 AB)Qtot2 = |2,0 1,9| x 102 kalori2. Untuk lama pemanasan dan Tf = Dengan menggunakan cara yang sama pada bagian (a), diperoleh data hasil perhitungan sebagai berikut:1) Qair= orikalori kalori2) Qkal = 16,203 kalori=

kalori.3) 193,861 kaloriKR = % (2 AB)Qtot3 = |2,9 1,9| x 102 kalori2. Energi usaha (W) pada air dan kalorimetera. Untuk lama pemanasan W1 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(120 s) = 156 Joule W 156 J= 51,141 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W1 = |1,6 0,5 | x 102 Jb. Untuk lama pemanasan W2 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(240 s) = 312 Joule W 312 J= 102,155 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W2 = |3,1 1,0 | x 102 J

c. Untuk lama pemanasan W3 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(360 s) = 468 Joule W 468 J= 153,1167 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W3 = |4,7 1,5 | x 102 Jd. Untuk lama pemanasan W4 = V.I.t = (2,0 V)(0,65 A)(480 s) = 624 Joule W 624 J= 204,179 J KR = x 100% = x 100%= 32,7 % (2AB)W4 = |6,2 2,0 | x 102 JTabel 4. Hubungan antara kalor (Q) dengan usaha (W)Q (Kalori)W (Joule)

96,926156

193,852312

193,852468

290,778624

Berdasarkan tabel diatas, berikut ditampilkan grafik hubungan antara kalor (Q) dengan usaha (W).

Grafik 2. Hubungan antara kalor (Q) dengan usaha (W)Analisis grafik untuk massa 1y = 2,4142x 78R = 0,9Y= mx + c

m = = 2,414DK = R2 100% = 0,9 100% = 90 %KR = 100% - DK = 100% - 90 % = 10 % (2 AB)

0,241 J/kal = 53,69 %PEMBAHASANPada percobaan kali ini dilakukan pengambilan dua data. Pengambilan data pertama dilakukan dengan menggunakan suhu awal tetap. Percobaan ini dilakukan dengan menimbang massa kalorimeter kosong + pengaduk dan massa kalorimeter + air. Massa air diperoleh dengan mengurangkan hasil pengukuran massa kalorimeter kosong + pengaduk dengan massa kalorimeter + air. Pengambilan data dilakukan sebanyak 4 kali dengan memanipulasi waktu pemanasan yakni 120 s, 240 s, 360 s, dan 480 s. nilai perbandingan antara kalor (kalori) dengan usaha (joule) dapat dilihat pada pada tabel 2 hubungan antara kalor (Q) dengan Usaha (W). Nilai kesetaraan energi (equivalen) yang diperoleh berdasarkan praktikum adalah J/kal memiliki selisih yang sangat jauh dengan nilai teori yaitu 4,186 J/kal. Persen perbedaan antara keduanya sebesar 22%. Hal tersebut juga terjadi pada pengambilan data kedua. Hasil analisis data kedua menunjukkan nilai kesetaraan energi berdasarkan praktikum adalah J/kal memiliki selisih yang sangat jauh pula dengan nilai kesetaraan energy berdasarkan teori. Hal ini dapat terjadi karena pada saat melakukan praktikum, selisih suhu akhir dengan suhu awal sangat kecil. Kemungkinan ini terjadi karena aliran listrik yang mengalir dari power supplay sangat sedikit sehingga kalor yang dihasilkan pun sangat kecil, dalam artian bahwa power supplay tidak berfungsi sebagaimana mestinya.SIMPULAN DAN SARANSIMPULAN1. Prinsip kesetaraan (ekuivalensi) energi terjadi ketika ada pengubahan energi listrik atau energi mekanis menjadi energi panas sehingga mengakibatkan terjadi kenaikan suhu didalam kalorimeter. 2. Nilai kesetaraan (ekuivalensi) energi yang diperoleh dari data pertama dan daa kedua adalah J/kal, SARANPraktikum kesetaraan energi memerlukan kesabaran dan ketelitian. Oleh karena itu, diharapkan kepada praktikan yang nantinya akan melakukan praktikum ini agar sabar dan teliti dalam mengambil data. Selain itu, kondisi alat perlu juga diperhatikan agar hasil dari praktikum yang dilakukan memperoleh data yang bagus sehingga praktikum yang dilakukan berhasil atau dapat membuktikan kebenaran dari teori-teori yang ada. DAFTAR RUJUKANHalliday, Resnik & Robert. 1978. Fisika Jilid 1 Edisi Ketiga(terjemahan). Jakarta: Erlangga.Herman, asisten LFD. 2015. Penuntun Praktikum Fisika Dasar 1. Makassar: Unit Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA UNM.Halliday, Resnick & Robert. 2005. Fisika Dasar Edisi 7 Jilid 1(terjemahan). Jakarta: Erlangga.Tippler. Paul A. 1991. Fisika Untuk Sains dan Tehnik Jilid 1(terjemahan). Jakarta: Erlangga.

LAPORAN SEMENTARA UNITE P-FD2-02KESETARAAN ENERGIHari/Tanggal:Kelompok Praktikan:Anggota Kelompok:No.NAMANIM

1

2

3

4

5

Hasil PengamatanNST Neraca Ohauss 311 gram= = = 0,01 gram/skalaNST Termometer= = 1C/skalaNST Stopwatch = = 0,1 s/skalaNST Voltmeter= 1 V/skalaNST Ammeter= 0,02 A/skalaData pertamaMassa kalorimeter kosong + pengaduk = |49,100 0,005|.10-3 kgMassa calorimeter + air= |239,860 0,005|.10-3 kgMassa air= |190,760 0,005|.10-3 kgTegangan (V)= |2,0 0,5| voltKuat arus (I)= |0,65 0,02 | AmpereSuhu awal (T0)= |29,0 0,5 |

Tabel 1. Perubahan suhu (Tf) pada waktu tertentu (t)No.Lama Pemanasan (s)Suhu akhir (Tf) ()

1

2

3

4

Data KeduaMassa kalorimeter kosong + pengaduk = |49,100 0,005|.10-3 kgMassa calorimeter + air= |232,150 0,005|.10-3 kgMassa air= |183,050 0,005|.10-3 kgTegangan (V)= |2,0 0,5| voltKuat arus (I)= |0,65 0,02 | AmpereSuhu awal (T0)= |30,0 0,5 | Tabel .2 Perubahan suhu (Tf) pada waktu tertentu (t)No.Lama Pemanasan (s)Suhu akhir (Tf) ()

1

2

3

4

Mengetahui,Asisten Pembimbing

NIM.