Turunan Fisika Dasar: b3 hukum joule

b3 hukum joule

Posted in | di 06.31

PERCOBAAN B-3

HUKUM JOULE

I. MAKSUD DAN TUJUAN

Menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik, tara kalor listrik.

II. TEORI DASAR

A. Arus listrik menimbulkan panas pada suatu kawat tahanan yang dialirinya, jika kawat tahanan ini dimasukan dalam zat cair, maka akan terjadi perpindahan panas dari kawat ke zat cair yang keadaannya lebih dingin.

Maka banyaknya panas yang ditimbulkan oleh aliran listrik sama dengan jumlah panas yang dihisap oleh zat cair bersama tempatnya. (Kalorimeter)

Panas yang ditimbulkan oleh arus listrik adalah :

Q = 0,24 . I² . R . t …….(1)

Dimana,

Q = Jumlah panas yang timbul (dalam kalori).

I = Kuat arus dalam ampere.

R = Tahanan dalam ohm.

T = Waktu dalam detik.

Sedangkan panas yang diterima kalorimeter beserta isinya adalah :

Q = H . (T_a – T_m) ……(2)

Dimana,

H = Harga air kalorimeter dengan isinya.

T_a = Temperatur akhir kalorimeter.

T_m = Temperatur mula-mula kalorimeter.

Dari persamaan (1) dan (2) maka didapat :

H . (T_a – T_m) = 0,24 . I² . R . t ……. (3)

Dari persamaan (3) kecuali dapat dihitung jumlah kalir ampere per sekon, dapat juga dihitung tahanan dari kawat pemanas yang dipergunakan.

B. Kesalahan utama dalam pecobaan ini, terjadi dari pengukuran kuat arus I dan temperatur T_a – T_m.

Kesalahan dalam mengukur massa, tahanan dan waktu dapat diabaikan terhadap kesalahan-kesalahan diatas.

Dapat ditambahkan bahwa pengukuran panas antara kalorimeter dengan sekelilingnya selama percobaan berlangsung dapat pula menyebabkan kesalahan-kesalahan.

Bila temperatur kalorimeter tidak begitu jauh bedanya dengan temperatur sekelilingnya, maka pengaruh temperatur ruangan dinytakan dalam rumus Newton sbb :

T = -K ( T_c – T_r) t ……… (4)

Dimana,

T = Kelebihan atau kekurangan temperatur sebagai akibat pengaruh ruan (⁰C)

K = Konstanta pertukaran kalor.

T_c= Temperatur kalorimeter rata-rata (⁰C).

T_r= Temperatur ruangan rata-rata (⁰C).

t = selang waktu lamanya percobaan.

III. ALAT-ALAT

1. Kalorimeter dengan pengaduknya.

2. Kawat tahanan (kaat pemanas)

3. Stopwatch.

4. Termometer.

5. Amperemeter.

6. Tahanan geser.

7. Kawat penghubung.

8. Gelas ukuran.

9. Batu timbangan, neraca tehnis.

10. Penghubung arus.

11. Sumber arus.

12. Slide Regulator

Catatan :

Ø Panas jenis termometer = 0,46 Kal / cc ⁰C.

Ø Panas jenis aluminium = 0,217 Kal / cc ⁰C.

Ø Panas jenis kuningan = 0,094 Kal / cc ⁰C.

IV. LANGKAH KERJA

Menentukan nilai air kalorimeter (H)

1. Menimbang kalorimeter kosong dengan neraca tehnis.

2. Mengisi kalorimeter dengan air kira-kira setengahnya.

3. Menimbang kalorimeter berisi air.

4. Menimbang pengaduknya.

5. Mengukur volume bagian temperatur yang terendam air di dalam kaorimeter selama percobaan ini.

Rangkaian :

6. Menyusun rangkaian seperti diagram di bawah ini.

7. Janganlah dihubungkan dengan sumber arus sebelum mendapat persetujuan asisten.

110 / 220 V T = Termometer

P = Pengaduk.

Variac A= Amperemeter.

Sumber DC K= Kalorimeter.

a T b P

Gambar Rangkaian

Percobaan pendahuluan (menentukan harga k ).

8. Mendinginkan kalorimeter beserta airnya kira-kira 3 ⁰C dibawah temperatur ruangan.

9. Mengamati dan mencatat temperatur kalorimeter dan air setiap setengah menit, untuk beberapa menit. (pertukaran panas dengan udara sekitarnya)

10. Mencatat keadaan ruang (p,t,e), sebelum dan sesudah tiap percobaan. (Kalorimeter tetap ditempatnya)

Percobaan sesungguhnya :

11. Mengatur tahanan muka R_msehingga didapatkan kuat arus yang sesuai (ditentukan asisten).

12. Memasukan kawat spiral ke dalam kalorimeter, setelah rangkaian diperiksa oleh asisten.

13. Mengaduk kalorimeter dan tunggulah sebentar.

14. Membaca dan mencatat temperatur kalorimeter dengan seksama sebelum ada arus listrik.

15. Mengalirkan arus listrik dan mengaduk kalorimeter setiap saat.

16. Membaca dan mencatat kuat arus serta temperatur kalorimeter setiap setengah menit.

17. Mencatat temperatur ruang selama percobaan ini.

18. Jangan lupa mengaduk kalorimeter perlahan-lahan dan teratur (periodik).

19. Menghentikan arus jika temperatur kalorimeter telah naik kira-kira 5 ⁰C.

Percobaan akhir (menentukan harga k)

20. Mencatat temperatur kalorimeter setiap setengah menit selama beberapa menit (kalorimeter tetap didalam)

21. Jangan lupa mengadk perlahan-lahan setiap saat.

22. Pada akhirnya catatlah temperatur ruangan sekali lagi.

Pengulangan dan peneraan :

23. Mengukur percobaan 11 s/d 19 dengan kuat arus yang berlainan (ditentukan asisten).

24. Memeriksa setiap kuat arus yang dipakai dengan alat presisi.

25. Mengukur pula beda tegangan antara kedua ujung tahanan a dan b untuk setiap harga i.

26. Mengukur tegangan sumber arus.

V. DATA PERCOBAAN

KONDISI RUANG	AWAL PERCOBAAN	AKHIR PERCOBAAN	SATUAN
Temperatur	29 ± 0.5	29,7 ± 0,5	⁰C
Kelembaban	75 ± 0.5	± 0,5	%
Tekanan udara	74,76 ± 0,01	74,76 ± 0,01	Cm Hg

Diketahui :

-. Massa kalorimeter = 168,5 gram ± 0,05 gram.

-. Massa kalorimeter dengan air = 228,2 gram ± 0,05 gram.

-. Massa pengaduk = 19,25 gram ± 0,05 gram.

Tabel pengamatan perubahan temperatur terhadap waktu tanpa dialiri arus.

No	Temperatur awal	Temperatur akhir
1	27 ⁰C ± 0,5 ⁰C	27 ⁰C ± 0,5 ⁰C
2	27 ⁰C ± 0,5 ⁰C	27 ⁰C ± 0,5 ⁰C
3	27 ⁰C ± 0,5 ⁰C	27,5⁰C ± 0,5 ⁰C
4	27,5 ⁰C ± 0,5 ⁰C	27,5 ⁰C ± 0,5 ⁰C
5	27,5 ⁰C ± 0,5 ⁰C	27,5 ⁰C ± 0,5 ⁰C
6	27,5 ⁰C ± 0,5 ⁰C	27,5 ⁰C ± 0,5 ⁰C
7	27,5 ⁰C ± 0,5 ⁰C	28 ⁰C ± 0,5 ⁰C
8	28 ⁰C ± 0,5 ⁰C	28 ⁰C ± 0,5 ⁰C
9	28 ⁰C ± 0,5 ⁰C	28 ⁰C ± 0,5 ⁰C
10	28 ⁰C ± 0,5 ⁰C	28 ⁰C ± 0,5 ⁰C

Keterangan :

- Waktu yang diperlukan dari no. 1 s/d 2 sebesar 30 detik.

- Waktu yang diperlukan dari no. 1 s/d 10 sebesar 300 detik ( 5 menit ).

Waktu yamg diperlukan oleh kalorimetri untuk menaikkan suhu sebesar 5 ⁰C dengan dialiri arus 1,5 A adalah 11,17 menit. Kemudian arus diputus.

Tabel pengamatan perubahan temperatur terhadap waktu setelah diputus arus.listrik.

No	Temperatur awal	Temperatur akhir
1	33⁰C ± 0,5 ⁰C	33⁰C ± 0,5 ⁰C
2	33⁰C ± 0,5 ⁰C	32,5⁰C ± 0,5 ⁰C
3	32,5⁰C ± 0,5 ⁰C	32⁰C ± 0,5 ⁰C
4	32⁰C ± 0,5 ⁰C	32⁰C ± 0,5 ⁰C
5	32⁰C ± 0,5 ⁰C	32⁰C ± 0,5 ⁰C
6	32⁰C ± 0,5 ⁰C	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C
7	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C
8	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C	31⁰C ± 0,5 ⁰C
9	31⁰C ± 0,5 ⁰C	31⁰C ± 0,5 ⁰C
10	31⁰C ± 0,5 ⁰C	30,5⁰C ± 0,5 ⁰C

Keterangan :

- Waktu yang diperlukan dari no. 1 s/d 2 sebesar 30 detik.

- Waktu yang diperlukan dari no. 1 s/d 10 sebesar 300 detik ( 5 menit ).

Waktu yamg dibutuhkan kalorimetri untuk menaikkan suhu sebesar 5⁰C dengan dialiri arus sebesar 2 A adalah 7,2 menit.

Tabel pengamatan perubahan temperatur terhadap waktu setelah diputus arus.listrik.

No	Temperatur awal	Temperatur akhir
1	33⁰C ± 0,5 ⁰C	33⁰C ± 0,5 ⁰C
2	33⁰C ± 0,5 ⁰C	33 ⁰C ± 0,5 ⁰C
3	33⁰C ± 0,5 ⁰C	32,5⁰C ± 0,5 ⁰C
4	32,5⁰C ± 0,5 ⁰C	32⁰C ± 0,5 ⁰C
5	32 ⁰C ± 0,5 ⁰C	32⁰C ± 0,5 ⁰C
6	32⁰C ± 0,5 ⁰C	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C
7	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C
8	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C
9	31,5⁰C ± 0,5 ⁰C	31⁰C ± 0,5 ⁰C
10	31⁰C ± 0,5 ⁰C	31⁰C ± 0,5 ⁰C

Keterangan :

- Waktu yang diperlukan dari no. 1 s/d 2 sebesar 30 detik.

- Waktu yang diperlukan dari no. 1 s/d 10 sebesar 300 detik ( 5 menit ).

VI. TUGAS LAPORAN

1. Buatlah grafik antara temperatur terhadap waktu untuk tiap-tiap percobaan ?

2. Hitunglah perubahan temperatur T_a – T_m pada rumus (2) dari grafik diatas ?

3. Perlukah koreksi Newton diadakan ?

4. Hitunglah Q dengan memakai rumus (2) ?

5. Hitunglah R dengan hasil percobaan no. 24 dan no. 25 ?

6. Hitunglah Q dengan rumus (1) ? (Q dalam Joule).

7. Hitunglah Q dengan rumus (1) ? (Q dalam kalori).

8. Hitunglah tara kalor listrik dengan hasil-hasil perhitungan 4 dan 6. Bandingkan harga-harga yang didapat dengan yang dipakai pada rumus (1), dan dengan literatur ?

9. Bandingkan Q hasil pertanyaan no. 4 dengan pertanyaan no. 7 Berilah penjelasan ?

Jawaban

1. Grafik percobaan pertama.

33 -

32 -

31 -

30 -

29 - , , , , , , , , , ,

½ 1 1 ½ 2 2 ½ 3 3 ½ 4 4 ½ 5

2. Grafik percobaan kedua.

33 -

32 -

31 -

30 -

29 - , , , , , , , , , ,

1/2 1 1 ½ 2 2 ½ 3 3 ½ 4 4 ½ 5

2. a. Tanpa arus

Perubahan suhu = T_a – T_m

= ( 28 ⁰C ± 0,5 ⁰C ) – ( 27 ⁰C ± 0,5 ⁰C )

= 1,0 ⁰C

= ( 1/28 )0,5 + ( 1/27 )0,5

= 0,35

Perubahan temperatur = ( 1,0 ⁰C ± 0,35 ⁰C )

b. Dengan arus 1,5 A

Perubahan suhu = T_a – T_m

= ( 33⁰C ± 0,5 ⁰C ) – (30,5⁰C ± 0,5 ⁰C )

= 2,5 ⁰C

= 0,0577 + 0,05

= 0,1077 ⁰C

Perubahan temperatur = ( 2,5 ⁰C ± 0,1077 ⁰C ).

c. Dengan arus 2,0 A

Perubahan suhu = T_a – T_m

= ( 33⁰C ± 0,5 ⁰C ) – ( 31⁰C ± 0,5 ⁰C )

= 2 ⁰C

= (2/33)0,5 + (2/31)0,5

= 0,62 ⁰C

Perubahan temperatur = ( 2 ⁰C ± 0,62 ⁰C).

3. Koreksi Newton perlu dilakukan apabila temperatur kalorimeter tidak berbeda jauh dengan temperatur ruang.

4. Q = H . (T_a – T_m)

- H _kalorimeter (H₁) = 168,5 gram x 0,217 kal / gram ⁰C

= 36,54 kal / ⁰C

= 0,0108 kal / ⁰C

H₁ = ( 36,54 kal / ⁰C ± 0,0108 kal / ⁰C ).

- H _pengaduk (H₂) = 19,25 gram x 0,094 kal / gram ⁰C

= 1,8095 kal / ⁰C

= 0,0047 kal / ⁰C

H₂ = ( 7,8302 kal / ⁰C ± 0,0047 kal / ⁰C ).

- H _termometer (H₃) = 1 cc x 0,46 kal / cc ⁰C

= 0,46 kal / ⁰C

= 0,023 kal / ⁰C

H₃ = ( 0,46 kal / ⁰C ± 0,023 kal / ⁰C ).

- H _air (H₄) = 139,4 gram x 1 kal / gram ⁰C

= 139,4 kal / ⁰C

= 0,05 kal / ⁰C

H₄ = ( 139,4 kal / ⁰C ± 0,05 kal / ⁰C ).

H_total= H₁+ H₂ + H₃+ H₄

= 35,72 kal / ⁰C + 7,8302 kal / ⁰C + 0,46 kal / ⁰C +139,4 kal / ⁰C= 183,4102 kal / ⁰C

= 0,0108 kal / ⁰C + 0,0047 kal / ⁰C + 0,023 kal / ⁰C + 0,05 kal / ⁰C

= 0,0885 kal / ⁰C

H_total = ( 183,4102 kal / ⁰C + 0,0885 kal / ⁰C )

a. Dengan arus 1,5 A

T_a – T_m = 3 ⁰C

Q = H . (T_a – T_m)

= 183,4102 x ( 3 )

= 550,2306 kalori

DQ = 91,705 kalori

Q = ( 550,2306 kalori ± 91,705 kalori).

b. Dengan arus 2 A

T_a – T_m = 0 ⁰C

Q = H . (T_a – T_m)

= 183,4102 x ( 0 )

= 0 kalori

DQ = 91,705 kalori.

Q = ( 0 kalori ± 91,705 kalori).

5. a. Diketahui : I = 1 Ampere ± 0,1 Ampere

V = 1,6 Volt ± 0,05 Volt

Jawab

V = I.R

= 1,6 ohm

DR = 0,05 + 0,16 = 0,21 ohm.

R = 1,6 ohm ± 0,21 ohm

b.Diketahui : I = 0,4 Ampere ± 0,1 Ampere

V = 0,6 Volt ± 0,05 Volt

Jawab

V = I.R

= 1,5 ohm

R = 1,5 ohm ± 0,5 ohm

6. a. Diketahui I = 1 Ampere ± 0,1 Ampere.

V = 1,6 Volt ± 0,05 Volt.

R = 1,6 ohm ± 0,05 ohm.

t = 300 detik.± 0,5 detik

Q = I² . R . t

= (1)² . (1,6) . (300)

= 480 joule

DQ = 63,8 joule

Q = 480 joule ± 63,8 joule

b. Diketahui I = 0,4 Ampere ± 0,1 Ampere.

V = 0,6 Volt ± 0,05 Volt.

R = 1,5 ohm ± 0,05 ohm.

t = 300 detik.± 0,5 detik

Q = I² . R . t

= (0,4)² . (1,5) . (300)

= 72 joule

DQ = 20,52 joule.

Q = 72 joule ± 20,52 joule

7. a. Q = 0,24 . I² . R . t

= 0,24 x (480)

= 115,2 kalori

DQ = 0,24 x (DQ dalam joule)

DQ = 0,24 x (63,8)

DQ = 15,312 kalori

Q = 115,2 kalori ± 15,312 kalori

b Q = 0,24 . I² . R . t

= 0,24 x (72)

= 17,28 kalori

DQ = 0,24 x (DQ dalam joule)

DQ = 0,24 x (20,52)

DQ = 4,9248 kalori

Q = 17,28 kalori ± 4,9248 kalori

8.a.

= Q pada no. 4 / Q pada no.6

Tara kalor (a) =

kal / joule.

Da = 0,34 kal / joule

Harga tara kalor = 1,1463 kal / joule ± 0,34 kal / joule

b..

= Q pada no. 4 / Q pada no. 6

Tara kalor (a)

= 0 kal / joule

Da = 0 kal / joule

Harga tara kalor = 0 kal / joule ± 0 kal / joule

Pada rumus (1)

= 0,24 kal / joule

0,24 kal / joule

Pada Literatur, 1 kalori = 4,2 joule

1 / 42 = 0,24 kal / joule

Berdasarkan perhitungan harga tara kalor diperoleh perbandingan :

- pada Q4 dan Q6 dan pada rumus (1) terjadi perbedaan yang sangat kecil.

- Pada rumus (1) dan pada literatur tidak terjadi perubahan (harga tara kalor sama)

9. Perbandingan jumlak panas yang timbul (calori) pada no.4 dan no.7

- Q hasil pertanyaan no. 4 = ( 550,2306 kalori ± 91,705 kalori) dan ( 0 kalori ± 91,705 kalori) merupakan kalor yang diserap oleh kalorimeter.

- Q hasil pertanyaan no. 7 = ( 115,2 kalori ± 15,312 kalori ) dan ( 17,28 kalori ± 4,9248 kalori ) merupakan kalo yang dihasilkan oleh arus listrik

VII. DISKUSI

Berdasarkan pelaksanaan dan data percobaan yang diperoleh terdapat beberapa hal yang harus diperhatikan selama melakukan praktek percobaan, antara lain :

- Ketelitian dan kecermatan dalam membaca skala timbang pada neraca saat menghitung berat dari kalorimeter, kalorimeter dengan berisi air dan berat pengaduk .

- Ketelitian dan kecermatan dalam membaca skala ukur pada Amperemeter, Voltmeter.

- Ketelitian dan kecermatan dalam menyusun rangkaian pada percobaan ini.

- Ketelitian dan kecermatan dalam membaca skala ukur pada termometer dan ketepatan waktu yang telah ditentukan untuk menentukan panas yang ditimbulkan oleh arus listrik.

Untuk menghindari kesalahan-kesalahan yang mungkin timbul selama melakukan percobaan, maka diperlukan sikap kehati-hatian, ketelitian dan kecermatan dari setiap praktikan dalam melakukan setiap praktek percobaan agar diperoleh data hasil percobaan yang maksimal dan hasil perhitungan akhir yang sesuai dengan literatur.

VIII. KESIMPULAN

1. Arus listrik Arus listrik menimbulkan panas pada suatu kawat tahanan yang dialirinya, jika kawat tahanan ini dimasukan dalam zat cair, maka akan terjadi perpindahan panas dari kawat ke zat cair yang keadaannya lebih dingin.

Maka banyaknya panas yang ditimbulkan oleh aliran listrik sama dengan jumlah panas yang dihisap oleh zat cair bersama tempatnya. (Kalorimeter)

Panas yang ditimbulkan oleh arus listrik adalah :

Q = 0,24 . I² . R . t

2. Sedangkan panas yang diterima kalorimeter beserta isinya adalah :

Q = H . (T_a – T_m)

3. Berdasarkan data hasil percobaan diperoleh

- Massa kalorimeter = 164,6 gram ± 0,05 gram.

- Massa kalorimeter dengan air = 304 gram ± 0,05 gram.

- Massa pengaduk = 83,3 gram ± 0,05 gram.

- Tabel pengamatan perubahan temperatur terhadap waktu tanpa dialiri arus.

T_a – T_m = ⁰C ± 0,5 ⁰C

- Tabel pengamatan perubahan temperatur terhadap waktu dengan dialiri arus.listrik.

Kuat arus listrik ( I ) = 1 Ampere.

Tegangan ( V ) = 1,6 Volt.

T_a – T_m = 3⁰C ± 0,5 ⁰C

- Tabel pengamatan perubahan temperatur terhadap waktu dengan dialiri arus.listrik.

Kuat arus listrik ( I ) = 0,4 Ampere.

Tegangan ( V ) = 0,6 Volt.

T_a – T_m = 0 ⁰C ± 0,5 ⁰C

- Q hasil pertanyaan no. 4 = ( 550,2306 kalori ± 91,705 kalori) dan ( 0 kalori ± 91,705 kalori) merupakan kalor yang diserap oleh kalorimeter.

- Q hasil pertanyaan no. 7 = ( 115,2 kalori ± 15,312 kalori ) dan ( 17,28 kalori ± 4,9248 kalori ) merupakan kalo yang dihasilkan oleh arus listrik

- Untuk menghindari kesalahan-kesalahan yang mungkin timbul selama melakukan percobaan, maka diperlukan sikap kehati-hatian, ketelitian dan kecermatan dari setiap praktikan dalam melakukan setiap praktek percobaan agar diperoleh data hasil percobaan yang maksimal dan hasil perhitungan akhir yang sesuai dengan literatur.