EKPERIMEN JOULE

EKPERIMEN JOULE

Sri Anjarsari, A. Dita Tawakkal Gau, Juliyanti Ayuningrum S, Aldi Risaldi, Rahmat Agung, Suciati Nurdin, Sirumba Sondok.

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Biologi FMIPA Universitas Negeri Makassar

Abstrak.  Telah dilakukan percobaan tentang eksperimen joule. Eksperimen ini bertujuan untuk menentukan besarnya energy listrik yang dilepaskan oleh elemen listrik, besarnya energy panas yang diterima oleh air dan calorimeter, dan menentukan nialai kesetaraan kalor dan listrik. Pada eksperimen ini prosedur kerja yang pertama adalah menimbang kalorimeter kosong dan kalorimeter yang telah diisi air, kemudian memberikan beda potensial pada ujung-ujung kumparan dalam kalorimeter, kemudian arus listrik akan mengalir melalui amperemeter sedangkan beda potensial akan timbul pada ujung kumparan yang menghasilkan usaha listrik pada sistem untuk memanaskan air dalam kalorimeter. Dalam eksperimen ini, alat dan bahan yang digunakan diantaranya power supply DC, amperemeter 0-5 A DC, voltmeter 0-50 V DC, stopwatch, termometer, kalorimeter lengkap, neraca ohauss 311 dan kabel penghubung. Dari hasil eksperimen ini besarnya energi listrik yang dilepas oleh elemen listrik W₁ = V₁ . I₁ . t₁ adalah sebesar 6730,02 Joule, besarnya energi panas yang diterima kalorimeter dan air Q₁ = m₁.c₁. ₁ + m_L.c_L. ₂ sebesar 1727730 kal, nilai kesetaraannya Q₁:W₁ sebesar . Dari keseluruhan hasil yang diperoleh menunjukkan hasil yang kurang maksimal hal itu karena ketidaktelitian saat mengamati, kurang pekanya pengamat saat memencet tombol stopwatch, kondisi mata pengamat yang tidak normal, kemampuan kalorimeter dalam menyimpan panas yang tidak diketahui.

KATA KUNCI : Kalorimeter, energy listrik yang dilepaskan, energy listrik yang di terima air dan kalorimeter, dan ekivalensi kedua hasil.

PENDAHULUAN

            Eksperimen ini bertujuan untuk menentukan besarnya energy listrik yang dilepaskan oleh elemen listrik, besarnya energy panas yang diterima oleh air dan kalorimeter, dan menentukan nilai kesetaraan kalor dan listrik. Eksperimen ini sangat penting dan bermanfaat dalam kehidupan kita, tanpa disadari termos air juga menggunakan prinsip yang sama dengan praktikum ini, dimana suhu air dalam termos dapat tetap panas karena tidak ada faktor luar yang mempengaruhi.

Kegiatan eksperimen ini diawali dengan menimbang kalorimeter kosong (bejana dalam) beserta pengaduknya. Kemudian air dimasukkan ke dalam kalorimeter secukupnya dan ditimbang lagi. Perlu diperhatikan bahwa filamen kumparan harus tercelup semua atau lebih dari separuhnya. Selanjutnya suhu awal air dalam kalorimeter diukur. Setelah bahan dan peralatan siap digunakan, alat dirangkai dengan memasang kalorimeter serta mengatur tegangan dan arus pada power supply untuk mendapatkan nilai V dan I tertentu yang dapat dibaca langsung pada power supply. Rangkaian dapat dilihat pada gambar. Selanjutnya saklar power supply dinyalakan bersamaan dengan dinyalakannya stopwatch. Sesekali dilakukan pengadukan secara pelan. Terakhir mencatat suhu air setiap beberapa menit yang telah ditentukan.

Pada eksperimen ini dilakukan variasi pada besar tegangan yang diberikan ke dalam sistem alat. Setiap variasi tegangan tersebut kemudian akan ditunjukkan nilai kuat arus yang mengalir oleh amperemeter pada power supply. Kemudian, dilakukan tiga kali pengulangan pengukuran suhu.

Dalam percobaan ini energi listrik yang dilepaskan akan diterima oleh air dan kalorimeter. Pada prinsip kerja kalorimetri, ketika bagian-bagian yang berbeda dari sistem yang terisolasi berada pada temperatur yang berbeda, kalor akan mengalir dari bagian benda bertemperatur tinggi menuju bagian benda yang bertemperatur lebih rendah hingga tercapai suatu keadaan dimana temperatur semua bagian benda sama. Hal ini dikatakan benda berada pada keadaan kesetimbangan termal. Kehilangan kalor sebanyak satu bagian sistem sama dengan kalor yang didapat oleh bagian lain. Hukum kekekalan energi berperan dalam keadaan ini dimana :

kalor yang hilang = kalor yang diterima

Teknik pertukaran energi panas tersebut dikenal dengan nama kalorimetri. Sedangkan peralatan yang digunakan untuk mengukur panas yang diterima adalah kalorimeter. Berdasarkan azas Black bahwa panas/kalor yang dilepas sama dengan panas/kalor yang diterima, maka energi listrik yang dilepas akan diterima oleh air dalam kalorimeter dan kalorimeter (termasuk pengaduk) itu sendiri, sehingga akan terjdi perubahan panas pada air dan kalorimeter.

TEORI

Hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan hukum kekekalan energi. Hukum ini menggambarkan hasil banyak eksperimen yang menghubungkan usaha yang dilakukan pada sistem, panas yang ditambahkan atau dikurangkan dari sistem, dan energi internal sistem. Dari definisi awal kalori, kita tahu bahwa dibutuhkan energi sebesar 1 kalori untuk menaikkan temperatur 1 g air menjadi 1⁰C. Akan tetapi kita juga dapat menaikkan temperatur air atau sistem lain apapun dengan melakukan usaha padanya tanpa menambahkan sedikit pun panas dari luar.

V

Termometer

VS

kalorimeter Joule + Elemen

A

+

_

 Gambar 7.1. Perangkat percobaan Joule

Gambar. 7.1 di atas menunjukkan diagram skematis modifikasi dari perangkat Joule yang dapat digunakan untuk menentukan jumlah usaha yang ekivalen dengan sejumlah panas tertentu, yaitu, jumlah usaha yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu gram air dengan satu Celcius derajat.

Air dalam kalorimeter pada Gambar tertutup dalam dinding insulasi agar temperatur system tidak dapat dipengaruhi oleh panas yang masuk atau keluar darinya. Dengan pemberian beda potensial V_S  pada ujung-ujung kumparan dalam kalorimeter, arus listrik akan mengalir melalui amperemeter dan 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 x I x t                                                                          (1)               

di mana V  adalah beda potensial ujung-ujung elemen, I  adalah 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 system menjadi meningkat (pengecualian terjadi perubahan fase).

Besar energi panas Q  yang dibutuhkan oleh air untuk menaikkan temperaturnya sebanding dengan perubahan temperatur DT  dan massa m, yaitu:

                                                                                          (2)

dimana c  adalah panas 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 1 ⁰C, atau 4,18 J energi mekanis atau listrik adalah ekuivalen dengan 1 kal energi panas.

METODOLOGI EKSPERIMEN

A.                 Alat dan Bahan

Dalam melakukan praktikum eksperimen joule ini, alat dan bahan yang digunakan berupa power supply DC Variabel untuk mengalirkan arus listrik, amperemeter 0 – 5 A DC untuk mengukur arus listrik, voltmeter 0 – 50 V DC untuk mengukur tegangan, kalorimeter joule lengkap untuk mengukur panas yang diterima, stop watch untuk mengukur waktu dalam sekon, thermometer untuk mrngukur suhu, neraca 311g untuk menimbang beban, dan kabel penghubung untuk merangkai dan menghubungkan alat.

B.                 Prosedur Kerja

Langkah pertama yang dilakukan adalah merakit skema percobaan  seperti pada Gambar 7.1 di atas, namun tidak menyalakan power supply sebelum memastikan bahwa polaritas dan batas ukur dari sumber dan alat-alat ukur arus dan tegangan benar. Selanjutnya adalah mengukur massa massa kalorimeter kosong + pengaduk, setelah itu mengisi kalorimeter dengan air hingga setengahnya lalu diukur kembali massanya.

Setelah tahap pertama selesai, tahap selanjutnya adalah memasang kalorimeter lengkap pada rangkaian, selanjutnya menyalakan catu daya dan mengatur agar arus yang mengalir sebesar 2 A, selama proses berlangsung, kita mencatat arus dan beda potensial pada ujung-ujung kumparan sesuai dengan percobaan. Langkah selanjutnya mematikan kembali power supply dengan tidak mengubah posisi pengatur tegangan, lalu mengukur temperatur kalorimeter beserta isinya dan mencatat sebagai temperatur awal. Kemudian menyalakan kembali power supply bersamaan dengan menjalankan stop watch untuk mengukur lama pengaliran arus hingga temperatur sistem naik menjadi 10⁰C dari temperatur awal lalu menghentikan stop watch bersamaan dengan mematikan Power Supply, lalu mencatat penunjukan stopwatch berdasarkan percobaan. Untuk lebih relavan, langkah terakhir adalah mengulangi kegiatan ini hingga 3 (tiga) kali.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA

Hasil Pengamatan

1.                  Eksperimen Joule

NST Neraca Ohauss 311 g  = 0,01g/skala

NST Voltmeter                              = 1     V/skala  = 0,5 v/skala

NST Amperemeter            = 0,2 A/skala

NST Termometer              = 1 skala

NST Stopwatch                           = 0,1  s/skala

Tabel :

Besaran yang diukur	Pengukuran Ke -
	I	II	III
Massa kalorimeter kosong + pengaduk, m1 (kg))	59,65	│59,720 ± 0,005│	│59,700 ± 0,005│
Massa kalorimeter + air, m2 (kg)	│219,300 ± 0,005│	│212,500 ± 0,005│	│199,600 ± 0,005│
Massa air, ma (kg)	│159,650 ± 0,010│	│152,780 ± 0,010│	│139,940 ± 0,010│
Tegangan, V (volt)	│11,0 ± 0,5│	│11,0 ± 0,5│	│11,0 ± 0,5│
Kuat Arus, I (A)	│1,854 ± 0,001│	│1,858 ± 0,001│	│1,877 ± 0,001│
Suhu awal, T0 (0C)	│34,0 ± 0,5│	│34,0 ± 0,5│	│34,0 ± 0,5│
Suhu akhir, Tf (0C)	│44,0 ± 0,5│	│44,0 ± 0,5│	│44,0 ± 0,5│
Waktu, t (s)	│330,0 ± 0,1│	│310,0 ± 0,1│	│301,0 ± 0,1│

Analisis Data

Dalam praktikum ini Q lepas = Q terima

1.                  Energi panas yang diterima air dan kalorimeter

Q₁        = m₁.c₁. ₁ + m_L.c_L . ₂

= 159.650 g . 1 kal/g . (44 - 34)   + 59.650 g . 0,22 kal/g . (44-34)

= 159.650 g . 1 kal/g . 10  + 59650 g . 0,22 kal/g . 10

= 1596500 kal  + 131230 kal

= 1727730 kal

Q₂        = m₂.c₂. ₁ +  m_L.c_L. . ₂

            = 152780 g . 1 kal/g . (44 – 34) + 59720 g . 0,22 kal/g . (44 - 34)

            = 1527800 kal + 131384 kal

            = 1659184 kal

Q₃        = m₃.c₃. ₁ +  m_L.c_L. . ₂  

            = 139960. 1 kal/g . (44 – 34)   + 59700 g . 0,22 kal/g . (44 - 34)

            = 1399600 kal + 131340 kal

            = 1530940 kal

2.                  Energi termal yang dilepaskan oleh elemen listrik

W₁       = V₁ . I₁ . t₁

            = 11 v . 1,854 A . 330

            = 6730,02 Joule

W₂       = V₂ . I₂ . t₂

            = 11 v . 1,858 A . 310

            = 6335,78 Joule

W₃       = V₃ . I₃ . t₃

            = 11 v . 1,877 A . 301

            = 6214,74 Joule

3.                  Ekivalensi kedua hasil

                          Q₁  = W₁

           1727730 kal =  6730,02 Joule

             

                          Q₂  = W₂

           1659184 kal =  6335,78 Joule

             

                          Q₃  = W₃

           1530940 kal =  6214,74 Joule

             

           

4.                  Ketidakpastian setiap perhitumgan

1.      Perhitungan 1

a.       Energi lstrik (w)

Keterangan:

/skala

/skala

Penyelesaian:

W = V

      

    

670,33018 joule

Kr =

     =

Dk = 100

      = 100 – 9,9603 = 90,03976  

 Pf =

     =

b.      Keterangan :

 

Q _air= m x c x ∆T

Q = | ∆T x m_a| + |m_a x ∆∆T|

      

       = | 0,0000313 + 0,1 |6,7053 

       = | 0,1000313 |6,7053 kalori

       = 0,670 kalori

    

DK = 100 % - KR = 100 % - 10,0025% = 89,9975 %

PF = | Q_air± ∆Q_air |

PF = | 6,705± 0,67 | kalori

c.       Untuk Q_kalorimeter

Keterangan:

                             

Q_k = m_k x c_k x ∆T

Q = | ∆T.m_k | + |m_k.∆∆T|

      

       = | 0,0000838+ 0,1 | 25,265

       = |0,1000838 |25,265 kalori

       = 12,537 kalori

DK = 100 % - KR = 100 % - 10,0083% = 89,99 %

PF = |Qkalorimeter ± ∆Q_kalorimeter |

PF = | 125 ± 12 | kalori

2.      Perhitungan 2

∆W = | I x t x ∆V | + | V x t x ∆I | + | V x I x ∆t |

                ∆W =  |0,0545745| 6335,78  joule

                     = 345,77203 joule

DK = 100 %- KR = 100 % - 0,054 57% = 99,94543%

PF = | W ± ∆W |

     = | 6335 ± 345 |  joule

a)      Q = m x c x ∆T

Q = | ∆T.m_a | + |m_a.∆∆T|

= | 0,0000327+0,1| 6,41676

= 0,641 kalori

DK = 100 % - KR

       = 100 % - 10,00327 %

= 89,996 %

PF = | Q_air ± ∆Q_air |

     = |6,41676 ± 0,641 | kalori

b)      Q_k = m_k x c_k x ∆T

Q = | ∆T.m_k | + |m_k.∆∆T|

= |0,0000838+0,1| 6,41676

 = 0,6422 kalori

DK = 100 % - KR

= 100 % - 10,008 %

= 89,992 %

PF = | Q_kalorimeter± ∆Q_kalorimeter |

      = |6,41676 ± 0,6422 | kalori

3.      Perhitungan 3

Keterangan:

                        =

                        = 0,5 Volt/skala

                  

                         =

                         = 0,1  A/skala

a)                  W = V x I x t

∆W = | I.t. ∆V| + |V.t.∆I| + |V. I.∆t|

             

                                =  | 0,578482| 6214,747  joule

        = 3595,1192 joule

                    

DK = 100 % - KR = 100 % - 0,5869% = 99,4131%

PF = | W ± ∆W |

      = | 6124 ± 3595|  joule

b)       Q _air= m x c x ∆T

Q = | ∆T.m_a | + |m_a.∆∆T|

           

                  

                   = | 0,0000008 + 0,1|5,87748

       = 0,5877527kalori

DK = 100 % - KR = 100 % - 10,00008% = 89,999 %

PF = | Q_air  ± ∆Q_air |

     = |5,87748 ± 0,5877527 | kalori

c)      Untuk Q kalorimeter.

Q_k = m_k x c_k x ∆T

Q = | ∆T.m_k | + |m_k.∆∆T|

     

                    = | 0,0000838+0,1|125,265 

      = 12,537 kalori

DK = 100 % - KR = 100 %  - 10,008382 % = 89,99 %

PF = | Q_kalorimeter ± ∆Q_kalorimeter |

     = |125,265 ±12,537 | kalori

PEMBAHASAN

Kalorimeter merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor yang terlibat dalam suatu perubahan atau reaksi kimia. Hukum pertama termodinamika menghubungkan perubahan energi dalam suatu proses termodinamika dengan jumlah kerja yang dilakukan pada sistem dan jumlah kalor yang dipindahkan ke sistem.

Prinsip dari kerja kalorimeter adalah bila sebuah benda dengan suhu tertentu disinggungkan benda lain yang suhunya lebih rendah maka dalam selang waktu tertentu suhu kedua benda tersebut akan menjadi sama (setimbang). Hal ini terjadi karena benda yang bersuhu lebih tinggi memberikan panasnya ke benda yang bersuhu lebih rendah. Berdasarkan hukum kekekalan energi jumlah panas yang diberikan sama dengan jumlah panas yang diterima oleh benda yang bersuhu lebih rendah (Asas Black).

Dari hasil eksperimen ini, hasil pengukuran massa kalorimeter kosong adalah 59,65 kg, kalorimeter berisi air 219,3 kg dan air 159,65 kg dengan suhu awal 34 ⁰C. Kemudian diberikan tegangan sebesar sebesar 11volt dan didapatkan nilai kuat arus sebesar 1,854 A Pada waktu 330 s, kemudian suhu akhir adalah 44 ⁰C. Dari hasil perhitungan dengan persamaan W = VIt untuk mencari energi listrik didapatkan hasil 6730,02 joule. Sedangkan besar jumlah kalor yang diperlukan Q = mc(T-T_a)  sebesar  1727730 kal.

Kemudian hasil pengukuran kedua yaitu dengan massa kalorimeter kosong yang sama, kalorimeter berisi air 212,5 kg dan air 152,78 kg dengan suhu awal 34 ⁰C. Kemudian diberikan tegangan sebesar sebesar 11volt dan didapatkan nilai kuat arus sebesar 1,858 A Pada waktu 310 s, kemudian suhu akhir adalah 44 ⁰C. Dari hasil perhitungan dengan persamaan W = VIt untuk mencari energi listrik didapatkan hasil 6335,78 joule. Sedangkan besar jumlah kalor yang diperlukan Q = mc(T-T_a)  sebesar  1659184 kal. Dan pengukuran ketiga yaitu dengan massa kalorimeter kosong yang sama, kalorimeter berisi air 199,66 kg dan air 139,96 kg dengan suhu awal 34 ⁰C. Kemudian diberikan tegangan sebesar sebesar 11volt dan didapatkan nilai kuat arus sebesar 1,877 A Pada waktu 301 s, kemudian suhu akhir adalah 44 ⁰C. Dari hasil perhitungan dengan persamaan W = VIt untuk mencari energi listrik didapatkan hasil 6214,74 joule. Sedangkan besar jumlah kalor yang diperlukan Q = mc(T-T_a)  sebesar 1530940 kal.

Melihat dari data hasil eksperimen ini, banyak yang harus di ubah dan jauh dari teori dimana angka ekivalensi seharusnya mendekati 0,24 Joule, namun dari perolehan hasil praktikum enersi listrik yang dilepas dan energy panas yang diterima menunjukkan angka yang  terpaut jauh artinya terdapat sedikit kesalahan sehingga tidak menghasilkan angkamendekati 0,24. Hal ini dipengaruhi oleh banyak faktor antara lain suhu ruangan dipengaruhi AC yang akan mempengaruhi hasil ukur, karena membuat perubahan pada suhu awal maupun suhu akhir, kurang pekanya pengamat saat memencet tombol stopwatch yang akan menambah ataupun mengurangi waktu dan akhirnya akan mengubah hasil ukur, kondisi mata pengamat yang tidak normal dan berkaca mata serta kurang tepat dalam membaca data karena skala alat yang tertera sulit dibaca, adanya ketidaktepatan saat pembacaan skala pada thermometer, kemampuan kalorimeter dalam menyimpan panas yang tidak diketahui, yang menyebabkan tidak terdeteksinya kemungkinan panas yang lepas ke lingkungan, perbedaan antara hasil kesetaraan kalor listrik yang pertama dengan yang kedua disebabkan oleh peralatan yang digunakan pada percobaan kedua telah digunakan pada percobaan pertama. Sehingga peralatannya lebih peka merespon energi panas atau kalor yang ditransfer.

Sehubungan dengan  masih banyaknya kesalahan dalam eksperimen ini, untuk itu dalam eksperimen selanjutnya mengenai eksperimen joule sebaiknya lebih teliti lagi dalam melihat dan mengamati, dan diharapkan lebih fokus dan lebih maksimal sehingga hasil yang diperoleh relevan dengan kesalahan yang kecil, sesuai dengan yang diharapkan.

SIMPULAN DAN DISKUSI

Kesimpulan yang dapat ditarik melalui eksperimen ini adalah besarnya energi listrik yang dilepas oleh elemen listrik adalah pada percobaan pertama W₁ = V₁ . I₁ . t₁ adalah sebesar 6730,02 Joule kemudian percobaan kedua  W₂ = V₂ . I₂ . t₂ sebesar 6335,78 Joule dan pada percobaan terakhir W₃ = V₃ . I₃ . t₃ sebesar 6214,74 Joule. Kemudian untuk besarnya energi panas/kalor yang diterima kalorimeter dan air adalah pada percobaan pertama Q₁ = m₁.c₁. ₁ + m_L.c_L. . ₂  sebesar 1727730 kal kemudian percobaan kedua Q₂ = m₂.c₂. ₁ + m_L.c_L. . ₂  sebesar 1659184 kal dan percobaan terakhir Q₃ = m₃.c₃. ₁ + m_L.c_L. . ₂  sebesar 1530940 kal. Sehingga di hasilkan nilai kesetaraan kalor-listrik dalam percobaan ini adalah Q₁  :  W₁, Q₂ : W_{2 .} Q₃ : W₃ sebesar  _.

Nilai kesetaraan jauh, dan tidak menghasilkan 0,24 sebagaimana teori. Hal tersebut disebabkan karena beberapa factor diantarnya kurang pekanya pengamat saat memencet tombol stopwatch yang akan menambah ataupun mengurangi waktu dan akhirnya akan mengubah hasil ukur, kondisi mata pengamat yang tidak normal dan berkaca mata serta kurang tepat dalam membaca data karena skala alat yang tertera sulit dibaca, adanya ketidaktepatan saat pembacaan skala pada thermometer, kemampuan kalorimeter dalam menyimpan panas yang tidak diketahui, sehingga tidak menjamin tidak adanya pengaruh lingkungan.

DAFTAR RUJUKAN

·         Halliday, David dan Resnick, Robert. 1999. Fisika Jilid 2 Edisi Kelima (Terjemahan). Jakarta: Erlangga.

·         Tipler, Paul A. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Kedua Jilid 2 (Terjemahan). Jakarta: Erlangga.

           

-