Kompetensi Dasar
Setelah mempelajari materi ini peserta pelatihan diharapkan mampu menjelakan kesetimbangan termal, membedakan skala suhu pada seiap jenis termometer, mampu menganalisis ekspansi termal, dan mampu membedakan kapasitas kalor
Indikator
1. Menjelaskan kesetimbangan termal
2. Membedakan skala suhu yang dugnakan pada setiap jenis termometer
3. Menganalisi ekspansi termal
4. Membedakan kapasitas kalor
1.1 SUHU DAN KESETIMBANGAN TERMAL
Konsep suhu (temperature) berakar dari ide kualitatif ‘panas’ dan ‘dingin’ yang berdasarkan pada indera sentuhan kita. Pada batang logam, tekanan uap dalam boiler, kemampuan suatu kawat mengalirkan arus listrik dan sebagainya, semuanya tergantung pada suhu.
Untuk menggunakan suhu sebagai ukuran panas atau dingin, kita perlu pengukuran, (gambar 1-1).
Gambar 1-1 (a) Sebuah sistem yang suhunya dinyatakan oleh nilai
panjang L,
(b) Sebuah sistem yang suhunya dinyatakan oleh nilai
tekanan p.
Gambar 1-1a menunjukkan sistem yang biasa yang dipakai untuk mengukur suhu. Ketika sistem menjadi lebih panas, cairan berwarna (umumnya raksa atau alkohol) berekspansi (memuai) dan naik dalam tabung, dan harga L meningkat. Sistem sederhana lainnya adalah sejumlah gas dalam wadah dengan volume konstan (gambar 1-1b). Tekanan p, diukur dengan alat ukur tekanan, bertambah atau berkurang saat gas dipanaskan atau didinginkan. Contoh lain adalah tahanan listrik R pada kawat konduktor, yang berubah ketika kawat menjadi lebih panas atau lebih dingin. Masing-masing sifat memberikan hargan (L, p, atau R) yang berubah terhadap panas dan dingini, sehingga masing-masing sifat dapat digunakan untuk membuat termometer.
Untuk mengukur suhu suatu benda, sentuhkan termometer dengan benda tersebut. Setelah termometer mencapai nilai tunaknya (nilainya tetap) baca suhunya. Dalam hal ini sistem (termometer dan benda) telah mencapai kondisi kestimbangan, di mana interaksi antara termometer dan benda tidak lagi menyebabkan perubahan pada sistem. Keadaan ini disebut sebagai kesetimbangan termal (thermal equilibrium).
Jika dua sistem terpisah oleh bahan isolasi atau isolator (insulation), seperti kayu, gabus plastik, atau serat gelas, maka keduanya lebih lambat untuk saling mempengaruhi.
Kita juga dapat memperoleh sifat-sifat dari kesetimbangan termal dengan meninjau tiga sistem A, B, dan C yang pada awalnya tidak berada pada kesetimbangan termal (gambar 1-2).
Gambar 1-2. Hukum ke nol termodinamika. (a) Jika sistem A dan B
masing-masing berada pada kesetimbangan termal dengan sistem C,
maka (b) A dan B juga mengalami kesetimbangan terhadap satu sama
lain. Sekat berwarna biru melambangkan dinding isolator, sekat
berwarna jingga melambangkan dinding konduktor.
Dari gambar tampak bahwa ketiga sistem ditutup oleh kotak isolator ideal sehingga tidak dapat berinteraksi dengan apapun kecuali satu ama lain. Sistem A dan B dipisahkan dengan dinding isolator ideal (lembaran biru dalam gambar 1-2a), tapi C dibiarkan berinteraksi dengan A maupun B Interaksi ini ditunjukkan pada gambar oleh lembaran jingga yang mewakili konduktor (conductor), yaitu bahan yang memungkinkan interaksi termal yang melewatinya. Kita tunggu sampai kesetimbangan termal tercapai; akhirnya A dan B masing-masing berada pada kesetimbangan termal dengan C. Tetapi, apakah A dan B saling mencapai kesetimbangan termal?.
Untuk mengetahuinya, kita pisahkan C dari A dan B memakai dinding isolator ideal (gambar 1-2b), dan mengganti dinding isolator antara A dan B dengan dinding konduktor agar A dan B berinteraksi. Apa yang terjadi?. Percobaan menunjukkan bahwa tidak ada yang terjadi; tidak ada perubahan lebih lanjut pada A atau B. Dapat disimpulkan bahwa jika C semula berada dalam kesetimbangan termal dengan A maupun B, maka A dan B juga saling berada pada kesetimbangan termal. Hasil ini disebut sebagai hukum termodinamika ke-nol (zeroth law of thermodynamics).
Sekarang andaikan bahwa sistem C adalah termoeter, seperti sistem tabung dan cairan pada gambar 1-1a, termometer C mengalami kontak dengan A maupun B. Pada kesetimbangan termal, ketika pembacaan termometer mencapai nilai yang stabil, pembacaan termometer menandakan suhu A maupun B; sehingga A maupun B memiliki suhu yang sama. Percobaan menunjukkan bahwa kesetimbangan termal tidak dipengaruhi oleh penambahan atau pelepasan isolator, dengan demikian pembacaan termometer C tidak akan berubah jika hanya mengalami kontak dengan A saja atau B saja. Dapat disimpulkan bahwa dua sistem berada dalam kesetimbangan termal jika dan hanya jika memiliki suhu yang sama.
1.3 TERMOMETER DAN SKALA SUHU
Untuk membuat perangkat cairan dalam tabung seperti pada gambar 1-1a menjadi termometer yang dapat digunakan, kita perlu membuat skala pada tabung dengan angka. Anggaplah kita menandai ketinggian cairan suhu air beku pada “0” dan ketinggian suhu didih pada “100”, dan mebagi jarak di antaranya menjadi 100 interval yang sama besar dengan sebutan derajat. Hasilnya adalah skala suhu Celcius (Celcius temperature scale) (dulu dikenal dengan skala centigrade di negara yang menggunakan bahasa Inggris). Suhu Celcius pada keadaan lebih dingin daripada air beku ditandai dengan angka negatif. Skala Celcius digunakan baik pada kehidupan sehari-hari, maupun dalam sains dan industri, hampir di seluruh dunia.
Jenis termometer lain yang umum adalah lembaran bimetal, terbuat dari dua buah lembaran logam dengan bahan yang berbeda dan saling direkatkan (gambar 1-3a). Saat sistem dipanaskan, salah satu logam berekspansi lebih jauh dibanding logam lainnya, sehingga gabungan lembaran akan melengkung jika suhu berubah.
Gambar-3. Termometer bimetal
Lembaran ini umumnya dibuat dalam bentuk spiral, dengan ujung luar dihubungkan dengan kemasan termometer dan ujung dalam dihubungkan ke penunjuk (gambar 1-3b). Penunjuk akan berputar sebagai reaksi terhadap perubahan suhu.
Pada sebuah termometer tahanan, diukur perubahan tahanan listrik suatu kumparan kawat tipis, silinder karbon, atau kristal germanium. Karena tahanan dapat diukur dengan presisi, termometer tahanan pun umumnya memberikan hasil lebih presisi daripada jenis lainnya.
Untuk mengukur suhu yang sangat tinggi, sebuah pyrometer optis dapat digunakan. Alat ini mengukur intensitas radiasi yang dihasilkan sebuah bahan yang berpendar panas kemerahan atau keputihan. Instrumennya tidak menyentuh bahan panas tersebut, sehingga pyrometer optis dapat dipakai pada suhu yang akan merusak termometer jenis lainnya.
Skala suhu yang umum dikenal adalah skala Kelvin, Celcius, Fahrenheit, Rankine dan Reamur. Guna menyatakan suhu pada termometer dengan angka diperlukan dua buah titik patokan yang tetap, yaitu titik tetap bawah skala Celcius 0o (es melebur atau air membeku) dan titik tetap atas 100o (air mendidih) pada tekanan udara luar 1 atmosfer.
Di samping jenis-jenis termometer yang telah disebutkan di atas terdap juga jenis termometer gas. Prinsip termometer gas adalah bahwa tekanan gas pada volume konstan akan bertambah, seiring dengan perubahan suhu. Jumlah gas yang ditempatkan dalam wadah bervolume konstan (gambar 1-4), dan tekanannya diukur dengan skala satu alat ukur tekanan. Untuk mengkalibrasi sebuah termometer gas volume konstan, kita mengukur tekanan pada dua suhu, misalnya 0oC dan 100oC, membuat plotnya pada kertas grafik, dan menggambar garis lurus di antaranya (gambar 1-4b). Selanjutnya kita dapat membaca dari grafik, suhu yang berkaitan dengan tekanan tertentu.
Gambar 1-5. Hubungan antara skala suhu Kelvin, Celsius, dan
Fahrenheit. Harga suhu telah dibulatkan menuju
angka bulat terdekat.
Tabel 1.1. Hubungan Antara Skala Suhu Kelvin, Celcius, Rankine, Fahrenheit dan Reamur
| Keadaan | Skala Suhu (o) | ||||
| Kelvin | Celcius | Fahrenheit | Rankine | Reamur | |
| Titik didih air (titik tetap atas) | 373 | 100 | 212 | 672 | 80 |
| Titik beku air (titik tetap bawah) | 273 | 0 | 32 | 492 | 0 |
Dari Tabel 1-1 tampak bahwa hubungan skala Kelvin, Celcius, Rankine dan Fahrenheit adalah sebagai berikut:
Perbandingan saka suhu 
Untuk mengubah skala suhu Celcisus menjadi skala: Kelvin, Rankin, Fahrenheit, Reamur dan sebaliknya adalah sabagai berikut:
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)Contoh 1.1 Hasil pengukuran suhu badan Badu dengan menggunakan termometer skala Celcius adalah 35o. Berapakah suhu badan Badu menurut termometer skala: a. Rankine, b. Fahrenheit, c. Kelvin dan d. Reamur
Penyelesaian
a. 
b. 
c. TK = tC + 273 = 35 + 273 = 308 K
d. 
Contoh 1.2 Hasil pengukuran suhu sebuah benda menurut termometer skala Rankine adalah 582oR. Berapakah suhu benda tersebut menurut termometer skala: a. Celcius, b. Fahrenheit, c. Kelvin dan Reamur.
Penyelesaian
a. 
b. 
c. TK = tC + 273 = 50 + 273 = 323 K
d. 
Caontoh 1.3 Suhu sebuah ruangan menunjukkan angka 68oF. Berapakah suhu ruangan tersebut jika menggunakan termometer skala: a. Celcius, b. Rankine, c. Kelvin, dan d. Reamur
Penyelesaian
a. 
b. 
c. TK = TC + 273 = 20 + 273 = 293 K
d. 
Contoh 1.4 Seandainya sebuah termometer gas volume konstan memiliki tekanan 1,5 x 104 Pa pada suhu Ttripel dan tekanan 1,95 x 104 Pa pada suhu lan T yang tak diketahui. Berapa T?.
Penyelesaian Dari persamaan (1.3), suhu dalam skala Kelvin diperoleh:
= 355 K1.5 EKSPANSI TERMAL
1.5.1 Ekspansi Linear
Tinjau sebuah batang dengan panjang L0 pada suhu awal T0. Saat suhu berubah sejumlah ∆T, panjang berubah sejumlah ∆L. Percobaan menunjukkan bahwa jika ∆T tidak terlalu besar (mislanya lebih kecil dari 100oC), ∆L akan berbanding lurus dengan ∆T. Jika dua batang dari bahan yang sama mengalami perubahan suhu yang sama, tetapi yang satu lebih panjang dua kali daripada yang lainnya, maka perubahan panjangnya juga akan dua kali lipat. Dengan demikian ∆L juga harus berbanding dengan L0. Dengan konstanta perbandingan α (yang berbeda untuk bahan yang berlainan), dapat kita nyatakan hubungan itu dalam persamaan:
(ekspansi termal linear) (1.8)Jika sebuah benda memiliki panjang L0 pada suhu T0, maka panjangnya L pada suhu T = T0 + ∆T adalah:
(1.9) Konstanta α, yang menjelaskan sifat ekspansi termal dari bahan tertentu, disebut koefisien ekspanasi linear (coefficient of linear expansion), dengan satuan K-1 atau (oC)-1.
|
Gambar 1-6. (a)Pegas-pegas saling berhubungan dan (b) Grafik energi potensial
Dari gambar 1-6a, kita dapat menggambarkan gaya-gaya antar atom yang berdekatan dalam padatan dengan membayangkan atom-atom itu terhubung oleh pegas yang lebih mudah meregang daripada merapat. Sedangkan dari gambar 1-6b, sebuah grafik energi potensial terhadap jarak antara atom-atom yang berdekatan menunjukkan bahwa gaya-gaya tersebut tidak simetris.
Jika suatu benda padat memiliki lubang di dalamnya, apa yang terjadi pada ukuran lubang ketika suhu benda naik? Seperti telah dinyatakan di atas, semua dimensi linear suatu benda berubah pada arah yang sama ketika suhu berubah. Jika hal ini kurang meyakinkan Anda, bayangkan atom seperti pada gambar 1-6a sebagi garis lubang berbentuk kubus. Saat benda berekspansi, atom bergerak saling menjauhi dan lubang membesar.
Tabel 1.2
1.5.3
Ekspansi Termal Pada Air
|
Gambar 1-7. Grafik V-T
air dari suhu 0oC – 10oC
Gambar 1-7 menunjukkan volume dari satu gram air pada rentang suhu 0oC – 10oC. Pada 100oC volume telah meningkat menjadi 1,034 cm3. Jika koefisien ekspansi volume adalah konstan, maka kurva akan berbentuk garis lurus. Perilaku anomali ini memiliki efek penting pada kehidupan tanaman dan hewan di danau. Sebuah danau semakin dingin dari permukaan menuju ke bawah; di atas 4oC, air yang didinginkan dipermukaan mengalir ke dasar karena densitasnya lebih besar. Tapi ketika suhu permukaan turun di bawah 4oC, air dekat permukaan densitasnya menjadi lebih kecil daripada air yang lebih hangat di bawahnya. Maka aliran air ke bawah terhenti, dan air dekat permukaan tetap terjaga lebih dingin darpada di dasar. Saat permukaan membeku, es mengapung karena densitasnya lebih kecil daripada air. Air di bagian dasar tetap terjaga 4oC sampai air diseluruh permukaan danau membeku. Jika air berperilaku seperti bahan lainnya, penyusutan akan terjadi terus-menerus saat pendinginan dan pembekuan, sehingga air danau akan membeku dari dasar ke atas. Sirkulasi akibat perubahan densitas akan terus mengalirkan air yang hangat ke permukaan untuk pendinginan secara efisien, dan air danau akan lebih mudah membeku dan menjadi padat. Ini akan membinasakan kehidupan seluruh hewan dan tumbuhan yang tidak tahan beku. Jika air tidak memiliki sifat istimewa ini, evolusi kehidupan akan berjalan pada arah yang sangat berbeda.
1.5.4 Tegangan Termal
Jika kita menjepit ujung-ujung suatu batang secara erat untuk mencegah ekspansi atau kontraksi dan kemudian mengubah suhu, maka tarikan atau tegangan kompresi yang disebut sebagai tegangan termal (thermal stress) akan terjadi. Tegangan yang dihasilkan dapat cukup besar untuk menarik batang secara irreversibel atau bahkan dapat mematahkannya. Jalan beton dan dek jembatan umumnya memiliki celah di antara tiap bagiannya, yang diisi dengan bahan fleksibel. Jembatan juga umumnya dihubungkan dengan gigi-gigi pengunci, untuk memungkinkan ekspansi dan kontraksi beton. Pipa uap yang panjang memiliki sambuangan ekspansi atau bagian berbentuk U untuk mencegah pengerutan atau peregangan akibat perubahan suhu. Jika salah satu ujung jembatan dipasang erat pada rangkanya, maka ujung yang lain dipasang pada roda geser.
Untuk menghitung tegangan termal pada batang yang dijepit, kita menghitung besranya ekspansi (atau kontraksi) yang akan dilakukan batang jika tidak dijepit dan kemudian mendapatkan tegangan yang diperlukan untuk menekan (atau menarik) kembali ke panjang semula. Seandainya suatu batang sepanjang L0 dan luas penampang A panjangnya dijaga tetap sementara suhu diturunkan (∆T negatif), terjadi tegangan tarik. Fraksi perubahan panjang jika batang dibiarkan bebas untuk berkontraksi adalah:
(1.12)Baik ∆L maupun ∆T adalah negatif. Tarikan haruslah naik sebesar F agar tepat cukup untuk menghasilkan fraksi perubahan panjang yang setara dan berlawanan sebesar (∆L/∆T)tarik. Dari definisi modulus Young,
, sehingga 
(1.13)Jika panjang konstan, maka fraksi perubahan total tentu nol. Dari persamaan (1.12) dan (1.13), maka artinya adalah
Dengan mencari penyelesaian untuk tegangan tarik F/A yang dibutuhkan untuk menjaga panjang batang konstan, kita peroleh
(1.14)Untuk penurunan suhu, ∆T adalah negatif, maka F dam F/A positif; artinya suatu tegangan dan gaya tarik dibutuhkan untuk menjaga panjang yang tetap. Jika ∆T positif, gaya dan tegangan yang diperlukan dalah jenis kompresi.
Contoh 1.5 Perubahan panjang akibat perubahan suhu. Seorang peneliti menggunakan pita pengukur baja dengan panjang tepat 50 m pada suhu 20oC. Berapa panjangnya pada siang yang panas dengan suhu 35oC?
Penyelesaian Kita mengetahui L0 = 50 m, T0 = 20oC, T = 35oC,
∆T = T – T0 = 15oC = 15 K, dan α = 1,2 x 10-5 (dari Tabel 1.2)
Dengan menggunakan persamaan (1. 8) (1.9), kita peroleh
= (1,2 x 10-5 K-1)(50 m)(15 K) = 9 x 10-3 m = 9 mm
= 50 m + 9 x 10-3 m = 50,009 m.Contoh 1.6 Perubahan volume akita perubahan suhu. Sebuah gelas kaca dengan volume 200 cm3 diisi penuh dengan raksa pada 20oC. Berapa banyak raksa yang tumpah saat suhu system naik menjadi 100oC?. Koefisien ekspansi linear kaca (α = 0,4 x 10-5/K) dan koefisien ekspansi volume raksa (β = 18 x 10-5/K)
Penyelesaian Dari persamaan (1.11), kita peroleh koefisien ekspansi volume kaca adalah
= 3(0,4 x 10-5/K) = 1,2 x 10-5/KKenaikan volume gelas kaca adalah
= (1,2 x 10-5/K)(200 cm3)(373K – 293K) = 0,19 cm3
Kenaikan volume raksa adalah
= (18 x 10-5/K)(200 cm3)(373K – 293K) = 2,88 cm3
Volume raksa yang tumpah adalah
= 2,88 cm3 – 0,19 cm3 = 2,69 cm3Contoh 1.7 Sebuah silinder aluminium sepanjang 10 cm, dengan luas penampang 20 cm2, dipakai sebagai penjaga jarak di antara kedua dinding baja. Pada suhu 17oC silinder tepat masuk di dalam kedua dinding. Saat dipanaskan hingga 25oC, hitung tegangan pada silinder dan gaya total yang dihasilkannya pada setiap dinding, dengan mengasumsikan bahwa dinding kokoh sempurna dan terpisah dalam jarak yang konstan.
Penyelesaian Persamaan (1.14) menghubungkan tegangan dan perubahan suhu, di mana modulus Young aluminium adalah Y = 7,0 x 1010 Pa, dan dari tabel 1.2 α = 2,4 x 10-5/K. Perubahan suhu adalah ∆T = 298 K – 290 K = 8 K.
Dari persamaan (1.14), kita peroleh
= - (7,0 x 1010 Pa)(2,4 x 10-5/K)(8 K) = – 13,44 x 106 Pa
Gaya total F adalah luas penampang dikalikan dengan tegangan. Jadi
= (20 x 10-4 m2)( – 13,44 x 106 Pa) = – 26880 N1.6 KAPASITAS KALOR
Saat sendok dingin dimasukkan ke dalam secangkir kopi panas, sendok menjadi hangat dan kopi menjadi dingin ketika mencapai kesetimbangan termal. Interaksi yang menyebabkan perubahan suhu ini pada dasarnya adalah perpindahan energi dari satu bahan ke bahan lainnya. Perpindahan energi yang hanya terjadi karena perbedaan suhu disebut aliran panas atau perpindahan panas, dan energi yang dipindahkan disebut panas (heat).
Gambar 1-8. Perubahan suhu yang sama pada sistem yang sama dapat dicapai dengan
(a) memberi kerja pada sistem itu atau (b) menambahkan panas benda itu.
Pemahaman hubungan antara panas dan bentuk energi muncul perlahan selama abad 18 dan 19. Sir James Joule (1818 – 1889) mempelajari bagaimana air dapat dipanaskan dengan adukan kuat oleh roda pengaduk (gambar 1-8a). Roda pengaduk menambah energi ke dalam air dengan memberikan kerja padanya, dan Joule menemukan bahwa kenaikan suhu berbanding lurus dengan jumlah kerja yang diberikan. Perubahan suhu juga dapat disebabkan oleh penyentuhan air dengan benda lain yang diberi panas (gambar 1-8b); maka interaksi ini pasti melibatkan pertukaran energi.
Dalam fisika, kata ‘panas’ selalu merujuk pada energi yang pindah dari satu benda ke benda lainnya karena perbedaan suhu, bukan karena jumlah energi yang terdapat dalam suatu sistem. Kita dapat mengubah suhu suatu benda dengan menambahkan panas atau mengambil panas, atau dengan menambah atau mengurangi energi dengan cara lain seperti kerja mekanik (gambar 1-8a).
Kita dapat mendefinisikan satuan dari kuantitas panas berdasarkan perubahan suhu pada bahan tertentu. Kalori (disingkat kal) didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu gram air dari 14,5oC menjadi 15,5oC. Kilokalori (kkal) setara dengan 1000 kal. Satuan yang berkaitan dengan panas yang menggunakan derajat Fahrenheit dan satuan Inggris adalah Btu (British thermal unit). Satuan Btu adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu pound (berat) air 1oF dari 63oF menjadi 64oF.
Karena panas adalah energi yang berpindah, maka hubungan antara satuan kuantitas panas dan satuan energi mekanik adalah:
1 kal = 4,186 J
1 kkal = 1000 kal = 4186 J
1 Btu = 778 ft.lb = 252 kal = 1055 J.
1.6.1 Kapasitas Panas Spesifik
Guna menyatakan kapasitas kalor (panas) kita gunakan simbol Q. Ketika dihubungkan dengan perubahan suhu yang sangat kecil dT, maka kapasitas panasnya kita sebut dQ. Kapasitas panas Q yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu massa m bahan tertentu dari T1 menjadi T2 kira-kira setara dengan perubahan suhu ∆T = T2 – T1. Kapasitas panas juga berbanding lurus dengan massa bahan m. Kapasitas panas yang dibutuhkan tergantung pada sifat alami bahan; untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1oC diperlukan panas 4190 J, tapai untuk menaikkan suhu 1 kg aluminium sebesar 1oC panas yang diperlukan hanya sebesar 910 J.
Dengan menyatukan seluruh hubungan tersebut, kita peroleh:
Q = mc ∆T (1.15)
di mana c adalah kapasitas panas spesifik (specific heat capacity), yang sering juga disebut panas spesifik bahan tersebut. Untuk perubahan suhu yang sangat kecil dT dan kapasitas panas dQ yang berkaitan adalah
dQ = mc dT (1.16)
(1.17)
|
Gambar 1-9. Grafik kapasitas panas spesifik air
suhu awal dan inetrval suhu. Gambar 1-9 menunjukkan perubahan kapasitas panas spesifik untuk air sebagai fungsi dari suhu. Nilai c berubah kurang dari 1 % di antara 0oC dan 100oC.
1.6.2 Kapasitas Panas Molar
Seringkali lebih meyakinkan untuk menjabarkan kuantitas suatu bahan dalam jumlah mol n dibandingkan dengan massa m. Massa molar dari bahan apapun yang dilambangkan dengan M, adalah massa per mol. (Kuantitas M disebut juga berat molekuler, tapi massa molar lebih populer; kuantitas ini tergantung pada massa dalam sebuah molekul, bukan beratnya). Contohnya, massa molar air adalah 18,0 g/mol = 18,0 x 10-3 kg/mol; satu mol air memiliki massa 18,0 gram = 0,0a80 kg. Massa total m dari dari suatu bahan setara dengan massa per mol M dikalikan dengan jumlah mol n:
m = nM (1.18)
Dengan mengganti massa m dalam persamaan (1.15) dengan hasil kali nM, maka diperoleh
Q = nMc ∆T (1.19)
Hasil kali Mc disebut kapasitas panas molar (molar heat capacity) atau (panas spesifik molar) dan dilambangkan dengan C.
Dengan mensubtitusi nilai ini, maka kita tulis kembali persamaan (1.19) sebagai
Q = nC ∆T (1.20)
Bandingkan persamaan (1.17), kita dapat menyatakan kapasitas panas molar C (panas per mol per perubahan suhu) dalam kapasitas panas spesifik c (panas per massa per perubahan suhu) dan massa molar M (massa per mol), kita peroleh:
(kapasitas panas molar) (1.21)Sebagai contoh, kapasitas panas molar air adalah
= (0,0180 kg/mol)(4190 J/kg.K) = 75,4 J/mol.KPengukuran yang presisi dari kapasitas panas membutuhkan keterampilan percobaan yang tinggi. Umumnya, kuantitas energi terukur diberikan oleh arus listrik dalam kawat pemanas yang dililitkan mengelilingi suatu spesimen. Perubahan suhu ∆T diukur dengan suhu tahanan atau termokopel yang ditempelkan pada spesimen. Pengukuran bahan padatan umumnya dilakukan pada tekanan atmosfer konstan; nilai yang berkaitan disebut kapasitas panas pada tekanan konstan (dilambangkan dengan cp atau Cp). Untuk gas akan lebih mudah diukur dalam wadah pada volume konstan; nilai yang berkaitan disebut kapasitas panas pada volume konstan (dilambangkan dengan cv atau Cv). Untuk Bahan yang berbeda, Cv dan Cp akan berlainan.
Kolom terakhir pada Tabel 1.4 menunjukkan sesuatu yang menarik. Kapasitas panas molar untuk banyak elemen padatan berkisar pada harga yang sama, sekitar 25 J/mol. K. Hubungan ini, dinamakan aturan Dulong dan Petit (nama penemunya), membentuk sebuah ide dasar penting. Jumlah atom dalam satu mol sama untuk seluruh elemen bahan.
Tabel 1.4
Contoh 1.8 Pilek, Demam Seseorang dengan massa 80 kg yang terkena flu mengalami demam 2oC di atas normal, yaitu dengan suhu tubuh 39,0oC (102,2o), bukan 37oC (98,6oF). Asumsikan tubuh manusi sebagian besar terdiri dari air, berapa panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar itu?
Penyelesaian Perubahan suhu adalah ∆T = 39,0oC - 37oC = 2oC = 2 K.
Dari persamaan (1.15), kita peroleh
Q = mc ∆T = (80 kg)(4190 J/kg.K)(2 K) = 6,7 x 105 J
Ini setara dengan 160 kkal, atau 160 nilai kalori makanan. Sebenarnya kapasitas panas spesifik tubuh manusi lebih mendekati 3480 J/kg.K, sekitar 83 % dari kapasitas panas spesifik air. Perbedaan itu disebabkan adanya unsur protein, lemak, dan mineral, yang memiliki kapasitas panas spesifik lebih kecil. Dengan nilai c tersebut, panas yang dibuthkan adalah 5,6 x 105 J = 133 kkal.
Contoh 1.9 Rangkaian elektronik dengan panas berlebih Suatu elemen rangkaian elektronik dirancang terbuat dari 23 mg silikon. Arus listrik yang melewatinya menambahkan energi dengan laju 7,4 mW = 7,4 x 10-3 J/s. Jika rancangan tidak memungkinkan perpindahan panas keluar dari elemen, pada laju berapakah suhu naik?. Kapasitas panas spesifik silikon adalah 705 J/kg.K.
Penyelesaian Dalam satu detik, Q = (7,4 x 10-3 J/s)(1 s) = 7,4 x 10-3 J.
Dari persamaan (1.15), Q = mc ∆T, perubahan suhu dalam 1 s adalah
0,46 K/s Dengan cara lain, kita dapat membagi kedua sisi pada persamaan (1.16) dengan ∆T dan menyusunnya kembali menjadi:
0,46 K/s
Tidak ada komentar:
Posting Komentar