PERPINDAHAN KALOR

Perpindahan Kalor
Andai saja energi tidak dapat dipindahkan dari satu tempat ke tempat lainnya, kecil kemungkinan bagi kita untuk dapat memanfaatkan energi, tersebut. Misalnya, bila energi listrik yang tidak bisa dipindahkan dari sumber pembangkit tenaga listriknya kepada konsumen yang akan memerlukannya, bisa dibayangkan keadaan dunia ini.
Demikian pula bila kalor tidak bisa pindah dari api sebuah kompor ke panci tempat  masak hingga air dan beras yang dimasak dalam air panci matang. Sekali lagi, andai saja kalor tidak dapat dipindahkan, air di  dalam air panci tidak bisa menjadi panas. Dengan kata lain, beras yang direndam oleh air di dalam panci tidak dapat berubah menjadi nasi.
Perpindahan kalor terjadi dari benda yang bersuhu tinggi atau panas ke benda yang bersuhu lebih rendah atau dingin. Dengan kata lain, benda yang panas akan memberikan kalor kepada benda yang dingin.
Perpindahan kalor terjadi melalui tiga cara, yaitu konduksi (hantaran), konveksi (aliran) dan radiasi (pancaran). 
1.     Konduksi (hantaran)
Bila kita mengamati kehidupan manusia sehari - hari, banyak sekali orang yang menggunakan energi kalor. Misalnya, memasak, menyetrika, dan mengeringkan pakaian.
Mengapa alat-alat memasak modern, seperti panci dan wajan, banyak menggunakan bahan baku dari logam? Mengapa tutup panci dan pegangan setrika tidak dibuat dari bahan logam?
Untuk membuktikannya, cobalah kamu lakukan percobaan berikut ini:
a.    Siapkan sepotong logam dari bahan besi, spirtus, dan statif
b.    Susunlah logam tadi seperti tampak pada gambar 1.8.
c.        Nyalakan spirtus, dan panaskan ujung besi yang telah kamu sediakan itu. Kemudian sentuhlah besi yang terdiri dari bagian-bagian A,B dan C secara berturut-turut.
Berdasarkan percobaan di atas, jawablah pertanyaan-pertanyaan berikut:
a.        Bagian manakah yang panasnya terasa lebih dulu?
b.    Dari mana dan ke arah manakah energi kalor itu mengalir? 
Percobaan di atas akan membuktikan, bahwa perpindahan kalor pada besi berlangsung melalui perantaraan atom-atomnva. Akan tetapi, atom-atom besi itu tidak ikut pindah.  Pendek  kata  logam  besi dapat memindahkan kalor, tetapi bagian-bagian besi itu tidak ikut pindah. Perpindahan kalor yang terjadi pada besi itu disebut konduksi (hantaran).
      Dengan demikian dapat disimpulkan hahwa:
Konduksi adalah perpindahan energi kalor melalui suatu zat, tetapi bagian-bagian dari zat tersebut tidak ikut pindah

Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya bahwa alat-alat memasak, panci misalnya, tidak menggunakan tutup yang juga terbuat dari logam. Demikian pula sertrika tidak menggunakan tutup yang juga terbuat dari logam. Ini menunjukkan, bahwa selain ada bahan yang dapat menghan tarkan listrik dengan baik, ada juga yang kurang baik. Untuk membuktikannya, cobalah kamu lakukan percobaan berikut ini.
a.    Siapkan alat pembanding kalor yang terdiri dari tiga buah logam yang berbeda, yaitu tembaga, besi, dan aluminium.
b.     Susunlah ketiga alat pembanding tersebut dengan susunan seperti gambar.
c.    Letakkan lilin padat pada masing-masing ujung logam;
d.    Nyalakan api spiritus dan tempatkan di tengah-tengah ketiga ujung logam hingga  mendapatkan panas yang sama;
e.    Perhatikanlah, lilin pada logam manakah yang paling cepat meleleh?
Berdasarkan percobaan di atas, kamu dapat menyimpulkan bahwa:

Zat yang daya hantar kalorinya lebih baik disebut konduktor, sedangkan yang kurang baik disebut isolator.

Tembaga, besi, aluminium, seng, kuningan, dan raksa merupakan konduktor dari jenis logam. Sementara konduktor dari jenis karbon atau batang arang dan larutan elektrolit adalah asam sulfal, karbonat, dan cuka. Kayu, plastik, ebonit, kaca, dan kertas merupakan isolator.
Di bawah ini contoh alat yang berkaitan dengan konduksi, antara lain :
a.    Alat  memasak yang terlihat dari logam (aluminium, tembaga, dan seng), karena logam tersebut  cepat menghantarkan panas (kalor).
b.    Pegangan setrika,  solder, dan tutup panci dibuat dari bahan plastik atau kayu agar tidak panas. karena bahan ini bersifat isolator.
c.    Selimut dari kain tebal dapat menghangatkan badan, sebab, kain adalah isolator yang mampu menghalangi terjadinya pepindahan kalor dari tubuh.

2.    Konveksi (aliran)
Perpindahan kalor pada zat padat, tidak diikuti oleh bagian-bagian zat padat itu. Lalu,bagaimanakah dengan perpindahan kalor pada zat cair dan gas? Untuk mem- buktikannya. cobalah kamu lakukan percobaan berikut ini.
 a.    Siapkanlah alat konveksi zat cair, serbuk gergaji, dan lilin atau alat pemanas spiritus;
 b.    Isilah  alat konveksi  itu dengan air atau zat cair hingga penuh;
 c.    Masukkan serbuk gergaji secukupnya, lalu panaskan alat konveksi ini pada bagian sudut bawahnya;
 d.    Perhatikanlah perubahan yang terjadi.
 Bila percobaan di atas dilakukan secara teliti dan seksama, kamu akan dapat melihat beberapa perubahan. Misalnya:
 a.    Serbuk gergaji  tampak bergerak dari bawah ke atas;
 b.    Serbuk gergaji itu bergerak bersama-sama air karena memperoleh energi kalor sehingga berat jenis air panas mengecil dan menjadi lebih ringan. Aliran air itu disebahkan oleh perbedaan energi kalor.
c.    Adanya perputaran air yang membawa energi kalor yang berasal dari alat pemanas.
Kalor bergerak pindah bersama-sama aliran air, karena terjadi perpindahan berat jenis akibat pemanasan. Perpindahan kalor yang demikian itu disebut konveksi (aliran).
Rumusan di atas disederhanakan menjadi:
Konveksi adalah perpindahan energi kalor melalui aliran zat akibat perbedaan berat  jenis yang di timbulkan oleh pemanasan.

 Selain itu, konveksi  juga dapat terjadi pada aliran jika terdapat perbedaan suhu. Untuk membuktikannya, lakukan percobaan  berikut ini.
 a.    Sediakan alat konveksi udara berupa kotak dengan dua cerobong;
 b.    Nyalakan lilin dan letakkan pada salah satu cerobong;
 c.    Bakarlah kertas atau rokok untuk memperoleh asap;
 d.    Letakkan sobekan bakaran kertas yang masih berasap itu di atas cerobong yang satu lagi;
 e.    Amati dan perhatikan ke arah mana asap itu berhembus?
Percobaan di atas membuktikan, bahwa udara yang lebih panas akan berubah menjadi lebih ringan sehingga mengalir ke atas. Sebaliknya, udara yang dingin akan mengalir ke bawah untuk mengisi kekosongan, sebab, udara dingin lebih berat akibat berat jenis yang lebih besar.                                                              
Di dalam kehidupan sehari-hari, kita sering menjumpai penstiwa yang berkaitan dengan konveksi ini. Beberapa di antaranya adalah:
a.    Corong lampu tempel dan cerobong asap pabrik
    Untuk membuktikannya, sediakan sebuah lampu tempel, lalu nyalakan dengan korek api. Biarkan lampu itu tanpa penutup. Perhatikan nyala api lampu itu, bagaimana
    Sekarang, tutuplah lampu itu dengan alat penutup lampu tempel yang terbuat dari kaca (semprong). Adakah perubahan yang terjadi setelah ditutup dengan semprong?
    Lampu tempel yang dinyalakan tanpa penutup semprong akan tampak kurang terang (suram) daripada ditutup dengan lampu semprong. Mengapa demikian?
    Lampu tempel yang ditutup dengan semprong mengalami konveksi udara. Udara panas dalam semprong lampu berputar-putar dan naik sehingga udara dingin yang mengandung banyak oksigen mengalir ke dalam api. Akibatnya, nyala api pada lampu akan menjadi semakin  terang.
    Bila kita perhatikan, tungku-tungku pemanas pada pabrik- pabrik besar pun selalu menggunakan cerobong asap. Cerobong ini berfungsi sebagai penyaring guna mengurangi pencemaran udara yang lebih parah. Juga dapat menyebabkan timbulnya konveksi sehingga terjadilah aliran udara. Aliran udara inilah yang menyebabkan timbulnya pembakaran secara sempuma.
b.       Angin darat dan angin laut
         Pernahkah kamu perhatikan proses terjadinya angin darat dan angin laut di pantai? Angin darat mengalir dari darat menuju ke laut. Ini terjadi pada malam hari, karena udara di atas laut masih lebih panas daripada di darat. Akibatnya, udara darat yang dingin mengalir ke laut yang berudara panas.
    Sebaliknya, angin laut mengalir dari laut ke darat. Ini terjadi pada siang hari, karena daratan lebih cepat panas sehingga udara mengalir ke atas. Akibatnya, udara di atas permukaan laut yang masih dingin mengalir ke darat.
c.     Angin lembah dan angin gunung
    Pemahkah kamu pergi ke pegunungan? Angin apakah yang sering bertiup ke daerah pegunungan?     Angin lembah mengalir dari lembah di daerah dataran rendah menuju ke lereng gunung. Ini terjadi pada pagi hari, karena lereng gunung lebih cepat panas akibat menerima sinar matahari secara tegak lurus. Sementara, udara di lereng gunung mengalir ke atas sehingga udara dingin dari lembah mengalir ke lereng.












    Angin gunung mengalir dari gunung ke lembah. Ini terjadi pada sore hari, karena suhu lembah lebih panas daripada lereng gunung. Akibatnya, udara lembah mengalir ke atas dan diisi oleh udara dingin yang berasal dari gunung. Angin gunung inilah yang sering merusak tanaman dan yang menyebabkan tumbangnya pepohonan.
d.    Air menjadi panas ketika direbus
    Pernahkah kamu merebus air? Mengapa air bisa berubah menjadi panas? Bagaimanakah cara perpindahan energi kalor dan api menjadi panas hingga ke seluruh bagian air?
    Untuk membuktikannya, ambillah bejana yang terbuat dari kaca. Lalu isilah dengan air jernih. Setelah itu, taburkan pewarna kue ke dalamnya sehingga air tampak berwarna. Panaskan bejana itu pada alat pemanas yang ada. Perhatikan dan amati gerak zat pewarna tersebut! Tahukah kamu, kemanakah arah gerakannya?
    Percobaan di atas membuktikan bahwa pemanasan yang terjadi akibat energi kalor, yaitu dari api pemanas pindah menuju ke dinding bejana kaca. Perpindahan ini terjadi secara konduksi. Demikian pula perpindahan kalor dari dinding bejana ke sebagian air yang bersentuhan secara langsung.
    Sementara pada pemanasan terhadap seluruh air, kalor akan berpindah secara konveksi, artinya pemanasan dari air yang tidak bersentuhan dengan dinding bejana terjadi secara langsung. Dengan demikian, pemanasan air energi kalor berpindah yang semula secara tidak langsung kemudian menjadi langsung.

3.     Radiasi (pancaran)
Matahari adalah sumber energi yang paling utama bagi kehidupan manusia dan makhluk lain di muka bumi ini. Panas sinar matahari yang sampai ke bumi melalui ruang angkasa yang hampa udara. Rambatan kalor dari sinar matahari ke bumi tidak terjadi secara konduksi, melainkan secara pancaran (radiasi). Apakah sebabnya?
Sebab, bila rambatan kalor dari panas sinar matahari yang melewati ruang angkasa hampa udara berlangsung secara konduksi dan konveksi, sinar itu harus menggunakan medium (zat perantara). Sementara bila rambatan kalor dari sinar matahari menggunakan pancaran atau radiasi tidak perlu menggunakan medium, sebab, rambatan kalor dapat dihalangi oleh selembar tabir atau kain yang tidak tembus cahaya. Dengan demikian, radiasi ini tidak dapat melewati sebuah penghalang.
Alat yang digunakan untuk menyelidiki radiasi kalor dari sinar matahari disebut termoskop. Termoskop yang digunakan untuk menyelidiki sifat pancaran dan berbagai permukaan disebut termoskop diferensial.
Untuk dapat membuat alat termoskop sederhana, kila harus mengetahui lebih dulu apa dan bagaimana termoskop itu.
Termoskop terdiri dari dua buah bola kaca yang terbuat dari bekas bola lampu listrik. Kedua buah bola itu dihubungkan dengan pipa U berisi alkohol yang sudah diberi warna (zat pewarna). Kedua bola lampu dihubungkan dengan pipa U melalui las kaca. Berilah kode A dan B untuk masing-masing lampu.
Berilah warna hitam  untuk bola lampu A, sedangkan bola lampu B dibiarkan tidak berwarna. Setelah itu, berilah pancaran kalor dari lampu pijar. Caranya, dekatkan keduabola A dan B pada sebuah lampu pijar dengan jarak yang sama agar keduanya mendapatkan pancaran yang sama. Jika tidak mendapatkan lampu pijar, radiasi sinar matahari pun dapat digunakan. Setelah itu, rabalah kedua bola lampu A dan B itu. Adakah perbedaan kadar panas antara kedua bola lampu itu?
Ternyata bola lampu A lebih cepat panas daripada B. Ini menunjukkan, bahwa bola lampu A yang herwarna hitam lebih cepat menerima kalor daripada bola lampu B yang tidak berwarna hitam.
Perhatikan kembali ketinggian permukaan alkohol yang ada pada pipa U di alas. Tekanan udara dibawah bola lampu A lebih panas sehingga mendorong permukaan alkohol di bawahnya. Sedangkan permukaan alkohol di bawah bola lampu akan naik. Akibatnya, terjadilah perbedaan tingkat alkohol pada kedua pipa U tersebut. Permukaan di bawah bola lampu A akan lebih rendah daripada bola lampu B.
Berkaitan dengan hal itu, termoskop digunakan sebagai alat untuk menyelidiki sifat pancaran berbagai permukaan. Benda yang permukaannya hitam kusam akan memancarkan atau menyerap kalor yang lebih baik daripada benda yang warnanya mengkilap.
4.    Aplikasi Konsep Perpindahan Kalor Dalam Kehidupan Sehari-hari
Untuk mencegah terjadinya perpindahan kalor secara radiasi dapat digunakan sebuah tabir penghalang yang tidak temhus cahaya. Demikian pula untuk mencegah terjadinya perpindahan kalor secara konduksi ataupun konveksi dapat dilakukan dengan cara mempertimbangkan  medium-nya.
Dengan kata lain,  konduksi dan konveksi sangat memerlukan medium, karena bila medium tidak ada konveksi atau konduksi pun tidak akan terjadi. Untuk membuktikannya, perhatikan dan amatilah dengan teliti bagaimana susunan sebuah termos, baik termos air, es, maupun nasi.
Pada prinsipnya, termos berfungsi sebagai penyimpan es, air panas, atau nasi panas supaya tetap seperti semula. Dengan demikian, termos berfungsi sebagai pencegah terjadinya perpindahan kalor. Perpindahan ini terjadi melalui isolasi mangan yang ada di dalam termos dari pengaruh luar dan kalor yang masuk.
Jadi pada prinsipnya, termos berfungsi sebagai pencegah terjadinya perpindahan kalor, baik secara konduksi, konveksi, ataupun radiasi. Itulah sebabnya, dinding bagian dalam botol termos ini dibuat mengkilap dan berlapis dua. Sementara ruang di antara kedua dinding itu dihamparkan. Mengapa harus dibuat demikian? Jawabnya, agar daya serap dan pancar terhadap kalor sangat rendah. Selain itu, dinding bagian dalam botol termos pun dibuat berlapis dua agar kalor tidak dapat berpindah, baik secara konduksi, konveksi, ataupun radiasi. Dengan cara demikian, ruang di dalam termos benar-benar terisolasi sehingga  mempunyai suhu yang tetap.
Pada termos air panas, nasi, dan sayur, kalor yang ada di dalam dicegah sedemikian rupa agar tidak pindah. Sementara pada termos es, kalor yang berasal dari luar dihambat sedemikian rupa agar tidak masuk ke dalam ruang. Oleh karena itu, tutup termos harus dibuat dari bahan isolator  misalnya, gabus.
Pernahkah kamu melihat setrika?Perhatikanlah gagang setrikaan. Terbuat dari apakah gagang setrika di rumahmu?Gagang setrika terbuat dari kayu atau plastik. Mengapa demikian? Kayu atau plastik dipilih sebagi bahan gagang setrikaan dimaksudkan untuk mencegah perpindahan kalor. Kayu dan plastik termasuk isolator, yaitu bahan yang tidak bisa memindahkan panas. Dengan demikan tangan kita tidak akan merasakan panas pada saat gagang setrikaan dipegang.