EKUILIBRIUM TERMAL: PERSAMAAN, APLIKASI, LATIHAN - FISIK - 2025

Kesetimbangan termal dari dua benda yang berada dalam kontak termal adalah keadaan yang dicapai setelah waktu yang cukup lama untuk menyamakan suhu kedua benda.

Dalam termodinamika, kontak termal dua benda (atau dua sistem termodinamika) dipahami sebagai situasi di mana benda memiliki kontak mekanis atau terpisah tetapi bersentuhan dengan permukaan yang memungkinkan hanya lewatnya panas dari satu benda ke benda lain (permukaan diatermik). ).

Gambar 1. Setelah beberapa saat es dan minuman akan mencapai kesetimbangan termalnya. Sumber: pixabay

Dalam kontak termal tidak boleh ada reaksi kimia antara sistem yang bersentuhan. Seharusnya hanya ada pertukaran panas.

Situasi sehari-hari di mana terjadi pertukaran panas terjadi dengan sistem seperti minuman dingin dan gelas, kopi panas dan sendok teh, atau tubuh dan termometer, di antara banyak contoh lainnya.

Ketika dua atau lebih sistem berada dalam kesetimbangan termal?

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa panas selalu mengalir dari tubuh dengan suhu tertinggi ke tubuh dengan suhu terendah. Perpindahan panas berhenti segera setelah suhu menyamakan dan keadaan kesetimbangan termal tercapai.

Penerapan praktis keseimbangan termal adalah termometer. Termometer adalah alat yang mengukur suhunya sendiri, tetapi berkat keseimbangan termal kita dapat mengetahui suhu benda lain, seperti suhu manusia atau hewan.

Termometer kolom merkuri ditempatkan dalam kontak termal dengan tubuh, misalnya di bawah lidah, dan cukup waktu menunggu untuk mencapai kesetimbangan termal antara tubuh dan termometer dan pembacaannya tidak berubah lebih jauh.

Ketika titik ini tercapai, suhu termometer sama dengan suhu tubuh.

Hukum nol termodinamika menyatakan bahwa jika benda A berada dalam kesetimbangan termal dengan benda C dan benda C yang sama berada dalam kesetimbangan termal dengan B, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal bahkan ketika tidak ada kontak termal antara A dan B .

Oleh karena itu, kami menyimpulkan bahwa dua atau lebih sistem berada dalam kesetimbangan termal ketika keduanya memiliki suhu yang sama.

Persamaan kesetimbangan termal

Kami mengasumsikan benda A dengan suhu awal Ta dalam kontak termal dengan benda B lain dengan suhu awal Tb. Kami juga mengasumsikan bahwa Ta> Tb, maka menurut hukum kedua kalor dipindahkan dari A ke B.

Setelah beberapa saat, kesetimbangan termal akan tercapai dan kedua benda akan memiliki suhu akhir Tf yang sama. Ini akan memiliki nilai antara di Ta dan Tb, yaitu, Ta> Tf> Tb.

Jumlah kalor Qa yang ditransfer dari A ke B akan menjadi Qa = Ma Ca (Tf - Ta), di mana Ma adalah massa benda A, Ca kapasitas kalor per satuan massa A dan (Tf - Ta) perbedaan suhu . Jika Tf kurang dari Ta maka Qa negatif, menunjukkan bahwa benda A melepaskan panas.

Demikian pula untuk tubuh B kita memiliki Qb = Mb Cb (Tf - Tb); dan jika Tf lebih besar dari Tb maka Qb positif, menunjukkan bahwa benda B menerima panas. Karena benda A dan benda B berada dalam kontak termal satu sama lain, tetapi terisolasi dari lingkungan, jumlah total panas yang ditukar harus nol: Qa + Qb = 0

Maka Ma Ca (Tf - Ta) + Mb Cb (Tf - Tb) = 0

Suhu kesetimbangan

Mengembangkan ekspresi ini dan menyelesaikan suhu Tf, suhu akhir kesetimbangan termal diperoleh.

Gambar 2. Suhu kesetimbangan akhir. Sumber: buatan sendiri

Tf = (Ma Ca Ta + Mb Cb Tb) / (Ma Ca + Mb Cb).

Sebagai kasus tertentu, pertimbangkan kasus benda A dan B identik dalam massa dan kapasitas panas, dalam hal ini suhu kesetimbangan adalah:

Tf = (Ta + Tb) / 2 ↔ jika Ma = Mb dan Ca = Cb.

Kontak termal dengan perubahan fasa

Dalam beberapa situasi terjadi ketika dua benda ditempatkan dalam kontak termal, pertukaran panas menyebabkan perubahan keadaan atau fase di salah satunya. Jika ini terjadi, harus diperhitungkan bahwa selama perubahan fasa tidak ada perubahan suhu dalam tubuh yang mengubah keadaannya.

Jika terjadi perubahan fasa dari salah satu benda dalam kontak termal, konsep panas laten L diterapkan, yang merupakan energi per satuan massa yang diperlukan untuk perubahan keadaan:

Q = L ∙ M

Misalnya, untuk mencairkan 1 kg es pada 0 ° C, diperlukan 333,5 kJ / kg dan nilai ini adalah kalor laten L fusi es.

Selama pencairan, ia berubah dari air padat menjadi air cair, tetapi air tersebut mempertahankan suhu yang sama seperti es selama proses peleburan.

Aplikasi

Keseimbangan termal adalah bagian dari kehidupan sehari-hari. Misalnya, mari kita periksa situasi ini secara detail:

-Latihan 1

Seseorang ingin mandi dengan air hangat pada suhu 25 ° C. Dalam ember, tempatkan 3 liter air dingin pada suhu 15 ° C dan di dapur panaskan air hingga 95 ° C.

Berapa liter air panas yang harus ditambahkan ke ember berisi air dingin untuk mendapatkan suhu akhir yang diinginkan?

Larutan

Misalkan A adalah air dingin dan B adalah air panas:

Gambar 3. Solusi latihan 3. Sumber: uraian sendiri.

Kami mengusulkan persamaan kesetimbangan termal, seperti yang ditunjukkan di papan tulis pada gambar 3 dan dari sana kami mencari massa air Mb.

Massa awal air dingin dapat kita peroleh karena diketahui massa jenis airnya yaitu 1 Kg untuk setiap liternya. Artinya, kami memiliki 3 kg air dingin.

Ma = 3kg

Begitu

Mb = - 3 kg * (25 ° C - 15 ° C) / (25 ° C - 95 ° C) = 0,43 kg

Kemudian 0,43 liter air panas sudah cukup untuk akhirnya mendapatkan 3,43 liter air hangat pada suhu 25 ° C.

Latihan terselesaikan

-Latihan 2

Sepotong logam seberat 150 g dan dengan suhu 95 ° C dimasukkan ke dalam wadah yang berisi setengah liter air pada suhu 18 ° C. Setelah beberapa saat kesetimbangan termal tercapai dan suhu air dan logam adalah 25 ° C.

Misalkan wadah berisi air dan potongan logam tersebut merupakan termos tertutup yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran panas dengan lingkungan.

Hitung kalor jenis logam.

Larutan

Pertama kita akan menghitung panas yang diserap oleh air:

Qa = Ma Ca (Tf - Ta)

Qa = 500g 1kal / (g ° C) (25 ° C - 18 ° C) = 3500 kalori.

Itu adalah panas yang sama yang diberikan oleh logam:

Qm = 150g Cm (25 ° C - 95 ° C) = -3500 kalori.

Jadi kita bisa mendapatkan kapasitas panas logam:

Cm = 3500 kal / (150g 70 ° C) = ⅓ kal / (g ° C).

Latihan 3

Anda memiliki 250 cc air pada suhu 30 ° C. Ke air yang ada dalam termos isolasi, 25g es batu ditambahkan pada 0 ° C, dengan tujuan mendinginkannya.

Tentukan suhu kesetimbangan; yaitu, suhu yang akan tetap ada setelah semua es mencair dan air es telah memanas hingga sama dengan suhu air di gelas pada awalnya.

Solusi 3

Latihan ini dapat diselesaikan dalam tiga tahap:

1. Yang pertama adalah mencairnya es yang menyerap panas dari awal air hingga mencair dan menjadi air.
2. Kemudian dihitung penurunan temperatur pada air awal, karena telah memberikan panas (Qced <0) untuk mencairkan es.
3. Akhirnya, air yang mencair (yang berasal dari es) harus seimbang secara termal dengan air yang ada pada awalnya.

Gambar 4. Solusi latihan 3. Sumber: uraian sendiri.

Mari menghitung panas yang dibutuhkan untuk mencairkan es:

Qf = L * Mh = 333.5 kJ / kg * 0.025kg = 8.338 kJ

Kemudian panas yang diberikan oleh air untuk mencairkan es adalah Qced = -Qf

Panas yang diberikan oleh air ini menurunkan suhunya ke nilai T 'yang dapat kita hitung sebagai berikut:

T '= T0 - Qf / (Ma * Ca) = 22,02 ° C

Dimana Ca adalah kapasitas kalor air: 4,18 kJ / (kg ° C).

Akhirnya massa asli air yang sekarang berada pada 22,02 ° C akan melepaskan panas ke massa air cair dari es yang berada pada 0 ° C.

Akhirnya, suhu kesetimbangan Te akan tercapai setelah waktu yang cukup:

Te = (Ma * T '+ Mh * 0 ° C) / (Ma + Mh) = (0.25kg * 22.02 ° C + 0.025kg * 0 ° C) / (0.25kg + 0.025kg).

Akhirnya mendapatkan suhu kesetimbangan:

Te = 20,02 ° C.

-Latihan 4

Sebongkah timah seberat 0,5 kg keluar dari tungku pada suhu 150 ° C, yang jauh di bawah titik lelehnya. Potongan ini ditempatkan dalam wadah berisi 3 liter air pada suhu kamar 20 ° C. Tentukan suhu kesetimbangan akhir.

Hitung juga:

- Jumlah panas yang dikirim oleh timbal ke air.

- Jumlah panas yang diserap air.

Data:

Kalor jenis timbal: Cp = 0,03 kal / (g ° C); Kalor jenis air: Ca = 1 cal / (g ° C).

Larutan

Pertama kita tentukan suhu kesetimbangan akhir Te:

Te = (Ma Ca Ta + Mp Cp Tp) / (Ma Ca + Mp Cp)

Te = 20,65 ° C

Maka besarnya kalor yang dilepaskan oleh timbal adalah:

Qp = Mp Cp (Te - Tp) = -1,94 x 10³ kal.

Jumlah panas yang diserap oleh air adalah:

Qa = Ma Ca (Te - Ta) = + 1.94x 10³ kal.

Referensi

1. Atkins, P. 1999. Kimia Fisik. Edisi Omega.
2. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6 .. Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Ilmu Fisika Konseptual. 5. Ed. Pearson.
5. Resnick, R. (1999). Fisik. Vol. 1. Edisi ke-3 dalam bahasa Spanyol. Editorial Compañía Continental SA de CV
6. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson.
7. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Ed. Volume 1.
8. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 1. 7. Ed. Pembelajaran Cengage.