Latihan termodinamika dengan pembahasan

Kalori makanan dan daya metabolik

Latihan 5 · Pelajaran 2 — Sejarah Termodinamika dan Kalorimetri

  • kalori
  • kilokalori
  • Kalori makanan
  • ekuivalen mekanik
  • daya metabolik
  • satuan

Soal

Label gizi menyatakan bahwa orang dewasa rata-rata mengonsumsi sekitar 2000 kcal2000\,\text{kcal} per hari. Kilokalori adalah satuan non-SI yang masih dipakai dalam gizi; 1 kcal=4,18×103 J1\,\text{kcal}=4{,}18\times10^3\,\text{J}.

  1. Ubah asupan harian ini ke joule.
  2. Tentukan daya metabolik rata-rata dalam watt dengan menganggap energi digunakan merata selama 24 jam.
  3. Batang energi berlabel “210 kcal210\,\text{kcal}”. Jika seluruh energi menjadi kalor, berapa massa air dari 20 ∘C20\,^\circ\text{C} yang dapat dipanaskan hingga mendidih pada 100 ∘C100\,^\circ\text{C}? Ambil cwater=4,18×103 J ⁣⋅ ⁣kg−1 ⁣⋅ ⁣K−1c_{\text{water}}=4{,}18\times10^3\,\text{J}\!\cdot\!\text{kg}^{-1}\!\cdot\!\text{K}^{-1}.
  4. Dalam bentuk apa tubuh manusia sebenarnya menggunakan energi ini? Jawab secara kualitatif.

Petunjuk
Untuk soal 2 gunakan P=E/Δt\mathcal P=E/\Delta t. Untuk soal 3 ubah dahulu ke joule, lalu cari mm dari Q=mcΔTQ=mc\Delta T.

Pembahasan terperinci

Solusi
1.

E=2000×4,18×103=8,36×106 J.E=2000\times4{,}18\times10^3=8{,}36\times10^6\,\text{J}.

2.

P=8,36×1068,64×104≈97 W.\mathcal P=\frac{8{,}36\times10^6}{8{,}64\times10^4}\approx97\,\text{W}.

Sepanjang hari, manusia menggunakan daya rata-rata kira-kira sebesar lampu pijar. Orde besaran yang sering mengejutkan ini menunjukkan manfaat mengubah kalori makanan ke satuan fisika yang lazim.

3.

Q=210×4,18×103≈8,78×105 J.Q=210\times4{,}18\times10^3\approx8{,}78\times10^5\,\text{J}.

Dengan ΔT=80 K\Delta T=80\,\text{K},

m=QcΔT=8,78×1054,18×103×80≈2,63 kg.m=\frac{Q}{c\Delta T} =\frac{8{,}78\times10^5}{4{,}18\times10^3\times80} \approx2{,}63\,\text{kg}.

Jadi, dalam orde besaran, satu batang energi cukup untuk mendidihkan sekitar 2,5 kg2{,}5\,\text{kg} air keran.

4. Tubuh tidak “mengonsumsi” energi dalam arti menghilangkannya, tetapi mengubah energi kimia nutrien. Sebagian dipakai untuk kerja otot, fungsi organ, mempertahankan gradien listrik sel, transportasi molekul, dan sintesis kimia; sebagian dapat disimpan sebagai glikogen atau lemak. Pada akhirnya sebagian besar energi yang digunakan terdisipasi sebagai kalor, membantu mempertahankan suhu tubuh sebelum berpindah ke lingkungan. Sebagian kecil keluar sebagai energi kimia yang masih tersimpan dalam limbah.