KALOR: RUMUS DAN SATUAN, KARAKTERISTIK, CARA MENGUKURNYA, CONTOH - FISIK - 2025

The panas dalam fisika didefinisikan sebagai energi panas yang ditransfer setiap kali mereka kontak benda atau zat yang pada temperatur yang berbeda. Transfer energi ini dan semua proses yang terkait dengannya, adalah objek studi termodinamika, cabang penting fisika.

Panas adalah salah satu dari banyak bentuk energi, dan salah satu yang paling dikenal. Jadi darimana asalnya? Jawabannya terletak pada atom dan molekul yang menyusun materi. Partikel-partikel di dalam benda ini tidak statis. Kita bisa membayangkannya sebagai manik-manik kecil yang dihubungkan oleh mata air lembut, yang mampu menyusut dan meregang dengan mudah.

Atom dan molekul bergetar di dalam zat, yang diterjemahkan menjadi energi internal. Sumber: P. Tippens. Fisika: Konsep dan Aplikasi.

Dengan cara ini, partikel dapat bergetar dan energinya dapat dengan mudah ditransfer ke partikel lain, dan juga dari satu benda ke benda lain.

Jumlah panas yang diserap atau dilepaskan oleh tubuh bergantung pada sifat zat, massanya, dan perbedaan suhu. Ini dihitung seperti ini:

Di mana Q adalah jumlah panas yang ditransfer, m adalah massa benda, C _e adalah kalor jenis zat dan ΔT = T _akhir - T _awal , yaitu perbedaan suhu.

Seperti semua bentuk energi, panas diukur dalam joule, dalam Sistem Internasional (SI). Satuan lain yang sesuai adalah: erg dalam sistem cgs, Btu dalam sistem Inggris, dan kalori, istilah yang umum digunakan untuk kandungan energi makanan.

Karakteristik panas

Panas dari api unggun adalah energi yang berpindah. Sumber: Pixabay

Ada beberapa konsep utama yang perlu diingat:

-Panas adalah tentang energi dalam perjalanan. Benda tidak memiliki panas, mereka hanya melepaskan atau menyerapnya tergantung pada keadaan. Yang dimiliki objek adalah energi internal, berdasarkan konfigurasi internalnya.

Energi internal ini, pada gilirannya, terdiri dari energi kinetik yang terkait dengan gerakan getaran dan energi potensial, tipikal konfigurasi molekuler. Menurut konfigurasi ini, suatu zat akan mentransfer panas lebih atau kurang dengan mudah dan ini tercermin dalam panas spesifik C _e , nilai yang disebutkan dalam persamaan untuk menghitung Q.

-Konsep penting kedua adalah bahwa panas selalu ditransfer dari tubuh terpanas ke yang terdingin. Pengalaman menunjukkan bahwa panas dari kopi panas selalu mengalir ke porselen cangkir dan piring, atau logam dari sendok yang mengaduknya, tidak pernah sebaliknya.

-Jumlah panas yang ditransfer atau diserap tergantung pada massa tubuh yang bersangkutan. Menambahkan jumlah kalori atau joule yang sama ke sampel dengan massa X tidak memanaskan dengan cara yang sama pada sampel lain yang massanya 2X.

Alasannya? Ada lebih banyak partikel dalam sampel yang lebih besar, dan masing-masing partikel akan menerima rata-rata hanya setengah energi dari sampel yang lebih kecil.

Kesetimbangan termal dan kekekalan energi

Pengalaman memberi tahu kita bahwa ketika kita meletakkan dua benda pada suhu yang berbeda dalam kontak, setelah beberapa saat suhu keduanya akan sama. Maka dapat dinyatakan bahwa benda atau sistem, begitu juga bisa disebut, berada dalam kesetimbangan termal.

Di sisi lain, dengan merefleksikan cara meningkatkan energi internal sistem yang terisolasi, disimpulkan bahwa terdapat dua kemungkinan mekanisme:

i) Pemanasan, yaitu mentransfer energi dari sistem lain.

ii) Melakukan semacam pekerjaan mekanis di atasnya.

Mempertimbangkan bahwa energi disimpan:

Dalam kerangka termodinamika, prinsip kekekalan ini dikenal dengan Hukum Pertama Termodinamika. Kami mengatakan bahwa sistem harus diisolasi, karena jika tidak maka perlu mempertimbangkan masukan atau keluaran energi lain dalam keseimbangan.

Bagaimana panas diukur?

Panas diukur menurut efek yang dihasilkannya. Oleh karena itu, indra peraba inilah yang dengan cepat menginformasikan seberapa panas atau dingin minuman, makanan, atau benda apa pun. Karena mentransfer atau menyerap panas menghasilkan perubahan suhu, pengukuran ini memberikan gambaran tentang berapa banyak panas yang telah ditransfer.

Alat yang digunakan untuk mengukur suhu adalah termometer, yaitu alat yang dilengkapi timbangan berjenjang untuk melakukan pembacaan. Yang paling terkenal adalah termometer merkuri, yang terdiri dari kapiler halus merkuri yang mengembang saat dipanaskan.

Termometer dengan kelulusan dalam skala Celsius dan Fahrenheit. Sumber: Pixabay.

Selanjutnya, kapiler yang berisi merkuri dimasukkan ke dalam tabung gelas berskala dan diletakkan bersentuhan dengan tubuh yang suhunya harus diukur hingga mencapai kesetimbangan termal dan suhu keduanya sama.

Apa yang dibutuhkan untuk membuat termometer?

Untuk memulainya, Anda perlu memiliki beberapa properti termometrik, yaitu properti yang bervariasi dengan suhu.

Misalnya, gas atau cairan seperti merkuri, mengembang ketika dipanaskan, meskipun hambatan listrik juga berfungsi, yang memancarkan panas ketika arus melewatinya. Singkatnya, sifat termometrik apa pun yang mudah diukur dapat digunakan.

Jika suhu t berbanding lurus dengan sifat termometri X, maka dapat ditulis:

Di mana k adalah konstanta proporsionalitas yang akan ditentukan ketika dua suhu yang sesuai ditetapkan dan nilai X yang sesuai diukur. Temperatur yang sesuai berarti mudah diperoleh di laboratorium.

Setelah pasangan (t ₁ , X ₁ ) dan (t ₂ , X ₂ ) telah terbentuk, interval di antara keduanya dibagi menjadi beberapa bagian yang sama, ini akan menjadi derajat.

Skala suhu

Pemilihan suhu yang diperlukan untuk membuat skala suhu dibuat dengan kriteria mudah diperoleh di laboratorium. Salah satu skala yang paling banyak digunakan di seluruh dunia adalah skala Celsius, yang dibuat oleh ilmuwan Swedia Anders Celsius (1701-1744).

Angka 0 pada skala Celcius adalah suhu di mana es dan air cair berada dalam kesetimbangan pada tekanan 1 atmosfer, sedangkan batas atas dipilih ketika air cair dan uap air sama-sama dalam kesetimbangan dan pada 1 atmosfer tekanan. Interval ini dibagi menjadi 100 derajat yang masing-masing disebut derajat celcius.

Ini bukan satu-satunya cara untuk membangun skala, jauh dari itu. Ada skala lain yang berbeda, seperti skala Fahrenheit, di mana interval telah dipilih dengan nilai lain. Dan ada skala Kelvin, yang hanya memiliki batas bawah: nol mutlak.

Nol mutlak sesuai dengan suhu di mana semua pergerakan partikel dalam suatu zat berhenti sepenuhnya, namun, meskipun mendekati mendekati, ia belum dapat mendinginkan zat apa pun hingga nol mutlak.

Contoh

Setiap orang mengalami panas setiap hari, baik secara langsung maupun tidak langsung. Misalnya ketika Anda minum panas, di bawah sinar matahari tengah hari, memeriksa suhu mesin mobil, di ruangan yang penuh dengan orang dan dalam banyak situasi lainnya.

Di Bumi, panas diperlukan untuk mempertahankan proses kehidupan, baik yang berasal dari Matahari maupun yang berasal dari interior planet.

Demikian juga dengan iklim yang didorong oleh perubahan energi panas yang terjadi di atmosfer. Panas matahari tidak mencapai semua tempat secara merata, pada garis lintang khatulistiwa mencapai lebih dari di kutub, sehingga udara terpanas di daerah tropis naik dan bergerak ke utara dan selatan, untuk mencapai keseimbangan termal. yang telah dibicarakan sebelumnya.

Dengan cara ini, arus udara dibentuk pada kecepatan yang berbeda, yang mengangkut awan dan hujan. Di sisi lain, tabrakan mendadak antara front udara panas dan dingin menyebabkan fenomena seperti badai, tornado, dan angin topan.

Sebaliknya, pada tingkat yang lebih dekat, panasnya mungkin tidak akan disambut seperti matahari terbenam di pantai. Panas menyebabkan masalah pengoperasian pada mesin mobil dan prosesor komputer.

Hal ini juga menyebabkan energi listrik hilang pada kabel dan bahan konduksi untuk mengembang, itulah sebabnya perlakuan panas sangat penting di semua bidang teknik.

Latihan

- Latihan 1

Label permen berbunyi bahwa ia menyediakan 275 kalori. Berapa banyak energi dalam joule yang setara dengan permen ini?

Larutan

Pada mulanya kalori disebut-sebut sebagai satuan panas. Makanan mengandung energi yang biasanya diukur dalam satuan ini, tetapi kalori makanan sebenarnya adalah kilokalori.

Persamaannya adalah sebagai berikut: 1 kkal = 4186 J, dan disimpulkan bahwa permen memiliki:

275 kilokalori x 4186 joule / kilokalori = 1,15 10 ⁶ J.

- Latihan 2

100 g logam dipanaskan sampai 100 ° C dan ditempatkan dalam kalorimeter dengan 300 g air pada 20 ° C. Suhu yang diperoleh sistem saat mencapai kesetimbangan adalah 21,44 ° C. Anda diminta untuk menentukan kalor jenis logam, dengan asumsi kalorimeter tidak menyerap panas.

Larutan

Dalam situasi ini, logam melepaskan panas, yang akan kita sebut Q _diberikan dan tanda (-) ditempatkan di depannya untuk menunjukkan kerugian:

Untuk bagiannya, air dalam kalorimeter menyerap panas, yang akan dilambangkan sebagai Q yang diserap:

Energi dikonservasi, dari situ berikut ini:

Dari pernyataan tersebut Anda dapat menghitung ΔT:

Penting: 1 ºC sama dengan 1 kelvin. Perbedaan antara kedua skala tersebut adalah bahwa skala Kelvin adalah mutlak (derajat Kelvin selalu positif).

Kalor jenis air pada suhu 20ºC adalah 4186 J / kg. K dan dengan ini panas yang diserap dapat dihitung:

Untuk menyimpulkan, kalor jenis logam dibersihkan:

Referensi

1. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Volume 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Pendekatan Berdasarkan Kompetensi. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fisika: Pandangan di Dunia. 6 ^ta Editing disingkat. Pembelajaran Cengage.
4. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fisika: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. Bukit Mcgraw