Heat effect to matter

HEAT EFFECT OF MATTER

1. Objective:

To observe some heat effect at matters.

2. Theory:

In physics and thermodynamics, heat is the process of energy transfer from one body or system due to thermal contact, which in turn is defined as an energy transfer to a body in any other way than due to work performed on the body. Heat is also loosely referred to as thermal energy, although many definitions require this thermal energy to actually be in the process of movement between one body and another to be technically called heat (otherwise, many sources prefer to continue to refer to the static quantity as "thermal energy"). Heat is also known as "Energy".

Energy transfer by heat can occur between objects by radiation, conduction and convection. Temperature is used as a measure of the internal energy or enthalpy, that is the level of elementary motion giving rise to heat transfer. Energy can only be transferred by heat between objects - or areas within an object - with different temperatures (as given by the zeroth law of thermodynamics).

Heat transfer is the transition of thermal energy from a hotter object to a cooler object ("object" in this sense designating a complex collection of particles which is capable of storing energy in many different ways). When an object or fluid is at a different temperature than its surroundings or another object, transfer of thermal energy, also known as heat transfer, or heat exchange, occurs in such a way that the body and the surroundings reach thermal equilibrium; this means that they are at the same temperature. Heat transfer always occurs from a higher-temperature object to a cooler-temperature one as described by the second law of thermodynamics or the Clausius statement. Where there is a temperature difference between objects in proximity, heat transfer between them can never be stopped; it can only be slowed.

Heat trasfer is acomplished by three methods: conduction, convection and radiation. Conduction is the transfer of heat by molecular activity. The kinetic energy of molecules is transferred from one molecule to another trough collision. How well a substance conducts heat depends on the molecular bonding, solids are generally the best thermal conductors, with metals being very good conductors. In addition to molecular collisions, there are a large number of ‘free’ electrons (not permanently bond) in a metal that can move around. These electrons contribute significantly to heat transfer or thermal conductivity. The thermal conductivity of a substance is a measure of its ability to conduct heat.

Liquids and gases are in general relatively poor thermal conductors. Liquids are better than gases because their molecules are closer together and collide more often. Gases are poor conductors, because their molecules are relatively far apart and conductive collision do not occur as often. Substances that are poor thermal conductivity are poor themal conductors are sometimes referrred to as thermal insulator.

The transfer of heat by convection requires the movement of a substance, or water is an example of heat transfer by convection. Most homes are heated by convection (movement of hot air). The air is heated at the furnace, then circulated throughout the house by way of metal ducts. When the air has “lost its heat”, it passes trough a cold air return on its way back to the furnace to be reheated and recirculated.

There are two types of Convective Heat Transfer:

• Natural Convection: is when the fluid motion is caused by buoyancy forces that result from the density variations due to variations of temperature in the fluid. For example in the absence of an external source, when the mass of the fluid is in contact with a hot surface its molecules separate and scatter causing the mass of fluid to become less dense. When this happens, the fluid is displaced vertically or horizontally while the cooler fluid gets denser and the fluid sinks. Thus the hotter volume transfers heat towards the cooler volume of that fluid.

· Forced Convection: is when the fluid is forced to flow over the surface by external source such as fans and pumps. It creates an artificially induced convection current.

The transfer of heat by convection and conduction requires a material for the process to take place. Heat from the sun reaches the earth via electromagnetic waves. The process of transferring heat energy trough space by means of electromagnetic waves is known as a radiation. Electromagnetic waves carry energy and can travel trough a vacuum. The heat we get from the sun is transmitted trough the vacuum of space by radiation.

Radiation is the transfer of heat energy through empty space. All objects with a temperature above absolute zero radiate energy at a rate equal to their emissivity multiplied by the rate at which energy would radiate from them if they were a black body. No medium is necessary for radiation to occur, for it is transfered through electromagnetic waves; radiation works even in and through a perfect vacuum. The energy from the Sun travels through the vacuum of space before warming the earth.

All materials radiate thermal energy in amounts determined by their temperature, where the energy is carried by photons of light in the infrared and visible portions of the electromagnetic spectrum. When temperatures are uniform, the radiative flux between objects is in equilibrium and no net thermal energy is exchanged. The balance is upset when temperatures are not uniform, and thermal energy is transported from surfaces of higher to surfaces of lower temperature.

3. Tools and materials:

1. Bunsen burner

2. Erlenmeyer tube

3. Metal bar

4. Plastisin

5. Balloon

6. Test tube

7. Marble

8. Test tube clamp

9. Dye

10. Water

11. Candle

12. Spiritus

13. Ice block

4. Method:

Part A:

1. Put balloon at the mouth of Erlenmeyer tube.

2. See the condition of balloon.

3. Heat Erlenmeyer tube with Bunsen burner.

4. See the condition of balloon after heating.

5. If there is change of balloon condition, switch off the burner.

6. See the condition of balloon.

7. Write the observation result at observation table.

Part B:

1. Put plastisin ball at the end of metal bar.

2. Heat the other end of metal bar.

3. Observe how long the plastisin ball will melt.

4. Write the observation result at observation table.

Part C:

1. Fill 2/3 part Erlenmeyer tube with water.

2. Heat Erlenmeyer tube with Bunsen burner.

3. When the water coming to boil, add the dye.

4. See how the way of the dye at Erlenmeyer tube.

5. Draw the observation result and describe what process that occurs.

Part D:

1. Fill 1/3 part test tube with water.

1. Put the marble over the mouth of test tube.

2. Heat the test tube by Bunsen burner.

3. Use test tube clamp.

4. After the water boiled, see the condition of marble.

5. Draw and describe the observation result.

Part E:

1. Fill Erlenmeyer tube with ice block and add a few of water.

2. Measure the temperature before it heating.

3. Heat Erlenmeyer tube with Bunsen burner.

4. Every 5 minute, write the temperature and stop the heating when all of ice block are melt.

5. Make a graph that shows the relation between time and temperature.

V. Data:

Part A:

Balloon condition
Before heating	After heating	After the burner off
flat	rise	flat

Part B:

Time that plastisin need to melt : 8.40 minutes

Part C:

Part D:

Part E:

Time	Temperature of water
0 minutes	3° C
5 minutes	21° C
7,53 minutes	35° C

VI. Analysis

Praktikum ini bertujuan untuk mengobservasi beberapa pengaruh kalor pada berbagai zat. Zat yang diobservasi adalah zat padat, cair, dan gas. Berdasarkan literatur, kalor dapat berpindah melalui medium padat, cair, maupun gas. Terdapat tiga metode perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

Konduksi terjadi pada suatu benda atau dua benda yang disentuhkan. Konveksi tergantung pada gerakan massa dari satu daerah ruang ke daerah lainnya. Radiasi adalah perpindahan panas melalui radiasi elektromagnetik seperti sinar matahari tanpa memerlukan media apapun pada ruang diantaranya.

Praktikum ini terdiri dari lima bagian. Bagian A menyelidiki pengaruh kalor pada zat gas dengan menggunakan media balon yang dipanasi. Bagian B mentelidiki perpindahan kalor melalui zat padat dengan menggunakan media batang logam yang ujungnya ditempeli plastisin dan kemudian dipanaskan. Bagian C, D, dan E menyelidiki perpindahan kalor pada zat cair.

Pada zat gas, perpindahan kalor yang terjadi adalah proses konveksi. Pada praktikum ini, balon mengembang karena adanya gerakan masssa udara dari daerah di dekat mulut balon ke ujung balon. Udara yang berada di dekat pemanas (api) memiliki massa yang lebih kecil dibandingkan udara yang berada di ujung balon. Oleh karena itu udara akan mengalir ke tempat di dalam balon yang memiliki massa lebih besar. Udara panas menggeser udara dingin dan mengisi bagian ujung balon. Akibatnya, balon yang semula mengempis menjadi mengembang. Apabila api dimatikan, massa udara antara mulut dan ujung balon akan berangsur-angsur sama, sehingga balon yang sudah mengembang lama kelamaan akan mengempis.

Pada percobaan bagian B, batang besi yang ujungnya ditempeli bola plastisin dipanaskan pada ujung yang tidak ditempeli plastisin. Panas mengalir melalui batang besi hingga mencapai bola plastisin. Akibatnya, plastisin menjadi panas dan mulai mencair. Proses yang terjadi adalah konduksi. Pada tingkat atom, atom pada daerah panas memiliki rata-rata energi kinetik lebih besar daripada daerah dingin. Atom-atom pada daerah panas menabrak atom terdekat, memberikan sebagian energinya. Atom terdekat kembali menabrak atom terdekat lainnya, dan seterusnya spanjang bahan. Atom-atom itu sendiri tidak bergerak dari daerahnya tetapi energinya berpindah.

Di dalam logam, sejumlah elektron dapat meninggalkan atom asalnya dan menembus susunan kristal. Pada batang logam yang dipanaskan, terjadi perbedaan suhu diantara kedua ujung batang. Akibatnya, ada aliran panas pada batang tersebut. Pada percobaan ini diketahui bahwa waktu yang diperlukan agar plastisin meleleh pada batang logam adalah 8.40 menit. Hal-hal yang berpengaruh pada waktu yang diperlukan agar plastisin meleleh antara lain adalah, intensitas panas api, jenis logam yang digunakan, serta panjang batang logam dan luas penampang batang yang digunakan.

Untuk meneliti pengaruh kalor pada zat cair, dilakukan tiga macam percobaan. Bagian C dilakukan dengan menyelidiki jalannya pewarna makanan pada tabung erlemenyer berisi air yang dipanaskan.pewarna makanan dimasukkan tepat pada saat air mulai mendidih. Pewarna yang dimasukkan membentuk suatu pusaran dari bawah ke atas di dalam air. Hal itu menunjukkan aliran molekul air yang mengalir dari tempat bertekanan tinggi (dasar tabung) ke tempat bertekanan rendah (permukaan zat cair).

Hal yang hampir sama ditunjukkan oleh hasil percobaan bagian D. Kelereng yang berada di mulut tabung reaksi membentuk gerakan berputar ketika air mendidih, tetapi tidak sampai jatuh. Perputaran kelereng adalah akibat dari adanya aliran molekul air dari dasar tabung reaksi ke mulut tabung. Aliran ini tidak hanya berlangsung satu arah (dari bawah ke atas) melainkan berputar. Molekul yang berasal dari bagian bawah tabung reaksi menggeser molekul yang berada di mulut tanbung reaksi. Molekul yang tergeser akan mengisi bagian bawah tabung. Setelah molekul memanas, molekul ini akan kembali ke atas tabung. Hal tersebut terjadi berulang-ulang sehingga terbentu suatu aliran putaran dari atas ke bawah.

Bagian E dilakukan dengan memanaskan balok es batu di dalam tabung erlenmeyer. Sebelum dipanaskan, suhu air mula-mula adalah 3° C, setelah pemanas mulai dinyalakan, suhunya berangsur-angsur meningkat dan kemudian sampai pada titik dimana semua es yang berada di dalam tabung mencair. Grafik hubungan antara waktu dan suhu menunjukkan bahwa semakin lama tabung dipanaskan maka suhunya akan semakin meningkat. Akibatnya, es yang berada di dalam tabung lama kelamaan mencair. Es yang mula-mula mencair adalah es yang berada di dekat sumber panas (dasar tabung). Hal tersebut disebabkan karena adanya proses konveksi. Pada praktikum ini, waktu yang diperlukan agar semua es mencair adalah 7.53 menit.

Grafik hubungan waktu dengan suhu :

VII. Conclusion

Terdapat tiga metode perpindahan kalor, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi terjadi pada suatu benda atau dua benda yang disentuhkan. Konveksi tergantung pada gerakan massa dari satu daerah ruang ke daerah lainnya. Radiasi adalah perpindahan panas melalui radiasi elektromagnetik seperti sinar matahari tanpa memerlukan media apapun pada ruang diantaranya.

Proses perpindahan kalor yang terjadi pada zat padat adalah proses konduksi. Pada batang logam yang dipanaskan, terjadi perbedaan suhu diantara kedua ujung batang. Akibatnya, ada aliran panas pada batang tersebut. Pada percobaan ini diketahui bahwa waktu yang diperlukan agar plastisin meleleh pada batang logam adalah 8.40 menit. Hal-hal yang berpengaruh pada waktu yang diperlukan agar plastisin meleleh antara lain adalah, intensitas panas api, jenis logam yang digunakan, serta panjang batang logam dan luas penampang batang yang digunakan.

Pada fluida (zat cair dan gas) proses perpindahan panas yang terjadi adalah konveksi. Pada percobaan bagian A, setelah pemanas dinyalakan balon mengembang. Namun, setelah api dimatikan, massa udara antara mulut dan ujung balon akan berangsur-angsur sama, sehingga balon yang sudah mengembang lama kelamaan akan mengempis.

Percobaan C dan D menunjukkan aliran molekul yang terjadi pada saat proses konveksi pada zat cair. Pada bagian C, pewarna yang dimasukkan membentuk suatu pusaran dari bawah ke atas di dalam air. Sedangkan pada bagian D, Kelereng yang berada di mulut tabung reaksi membentuk gerakan berputar ketika air mendidih, tetapi tidak sampai jatuh. Bagian E menunjukkan hubungan antara waktu dengan suhu. Semakin lama waktu yang digunakan dalam pemanasan, maka suhu benda akan semakin meningkat.

VIII. References

http://en.wikipedia.org/wiki/Heat

http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

http://www.efunda.com/formulae/heat_transfer/home/overview.cfm

Freedman and Young. 2008. University Physics. 12 Edition.

Shipman, T. James and Jerry D. Wilson. 1990. An Introduction to Physical Science. Sixth edition. Canada : D.C Heath Company.

Wilujeng, Insih. 2009. Petunjuk Praktikum IPA 1. Yogyakarta : UNY

Laporan

Praktikum IPA 1

HEAT EFFECT OF MATTER

Tweet