Kapasitas panas spesifik dan kalor laten
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| latent heat/ˈleɪtənt hiːt/ | kalor laten |
| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | kapasitas panas spesifik |
| change of state/tʃeɪndʒ ɒv steɪt/ | perubahan wujud |
| specific latent heat/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt/ | kalor laten spesifik |
| fusion/ˈfjuːʒn/ | fusi |
| vaporisation/ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/ | penguapan |
Lambat mendidih, lambat mendingin
- Sendok logam memanas dalam hitungan detik; panci air membutuhkan menit.
- Dan air mendidih tetap stuck pada $100\ °\text{C}$ bahkan saat ia berbusa hilang.
- Dua ide menjelaskan hal ini: kapasitas panas dan kalor laten.
Kalor jenis
- $c$ = energi untuk menaikkan 1 kg sebesar 1 K: $Q = mc\Delta T$.
- Definisi ujian: "energi yang diperlukan per satuan massa untuk menaikkan suhu sebesar satu kelvin (atau satu derajat)".
- $c \approx 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\cdot\text{K}}$ air tinggi — ia memanaskan dan mendingin secara lambat.
Kalor jenis Air menjulang di atas logam — mengapa ia memanas dan mendingin begitu lambat
Energi untuk memanasinya: E = mcΔT
Pilih material, tentukan massa dan kenaikan suhu, lalu baca energinya. Air membutuhkan jauh lebih banyak energi daripada logam.
Kapasitas panas spesifik
Q = mcΔT
Pemanasan yang dibutuhkan berbanding lurus dengan kenaikan suhu — gradien tergantung pada massa dan kapasitas panas spesifik material.
Berapa banyak energi yang menaikkan $2.0\ \text{kg}$ air sebesar $10\ \text{K}$? (Gunakan $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\cdot\text{K}}$.)
$Q = mc\Delta T = 2.0 \times 4200 \times 10 = 84000\ \text{J}$.
Air memiliki kapasitas panas spesifik tinggi dibandingkan sebagian besar logam.
Air ~4200 vs aluminium ~900, tembaga ~385 J/(kg·K) — air membutuhkan lebih banyak energi per kelvin.
Kurva pemanasan
- Panaskan secara stabil dan suhu naik — kecuali selama perubahan wujud.
- Di sana suhu tetap konstan: energi masuk untuk memutus ikatan, bukan menaikkan suhu.
Selama padatan meleleh, suhunya:
Selama perubahan fase, energi memecah ikatan alih-alih menaikkan suhu, sehingga tetap konstan.
Kalor laten spesifik
- $L$ = energi untuk mengubah wujud 1 kg pada suhu konstan: $Q = mL$ — frasa terakhir itu bagian dari definisi.
- Fusi $L_{\text{f}}$ (melebur); penguapan $L_{\text{v}}$ (mendidih).
- $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$ karena dua alasan: penguapan harus memisahkan molekul sepenuhnya, dan uap melakukan usaha mendorong balik atmosfer saat mengembang.
Berapa banyak energi yang meleburkan $0.10\ \text{kg}$ es pada $0\ °\text{C}$? (Gunakan $L_{\text{f}} = 3.34 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}}$.)
$Q = mL_{\text{f}} = 0.10 \times 3.34 \times 10^{5} = 3.34 \times 10^{4}\ \text{J}$.
Kalor laten penguapan lebih besar daripada leburan karena:
Melebur hanya melonggarkan ikatan; mendidih memisahkan partikel sepenuhnya dan uap memperluas terhadap udara.
Cocokkan setiap istilah dengan definisi yang ditandai oleh penguji.
"Pada suhu konstan" adalah yang membedakan kalor laten dari pemanasan, dan menyia-nyiakan poin meskipun rumusnya benar.
Soal bertahap
- Memanaskan melewati perubahan wujud dibagi menjadi tahap-tahap.
- Gunakan $Q = mc\Delta T$ pada setiap bagian miring, dan $Q = mL$ di setiap dataran datar — lalu jumlahkan semuanya.
*Bagi pemanasan menjadi tahap miring (mcΔT) dan datar (mL), lalu jumlahkan energinya
Selama perubahan fase, energi adalah $Q = m$____ (bukan $mc\Delta T$).
Perubahan fase berada pada suhu konstan, jadi gunakan $Q = mL$ di sana; gunakan $mc\Delta T$ untuk bagian miring (berubah suhu).
Contoh terpecahkan: es batu dalam minuman
Sebuah balok es $37.0\ \text{g}$ pada suhu $0.0\ °\text{C}$ dimasukkan ke dalam $250\ \text{g}$ air pada suhu $24.0\ °\text{C}$ dalam gelas beker terisolasi. Tentukan suhu akhir. Gunakan $L_{\text{f}} = 3.34 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}}$ dan $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$.
- Lelehkan es terlebih dahulu: $mL = 0.037 \times 3.34 \times 10^{5} = 12\,400\ \text{J}$, pada $0\ °\text{C}$.
- Kemudian hangatkan air lelehan dari $0$ ke $T$: $0.037 \times 4200 \times T = 155\,T$.
- Air hangat menyediakan keduanya, mendingin dari $24$ ke $T$: $0.250 \times 4200 \times (24 - T) = 25\,200 - 1050\,T$.
- Keseimbangan: $12\,400 + 155\,T = 25\,200 - 1050\,T$, sehingga $1205\,T = 12\,800$ dan $T = 10.6\ °\text{C}$.
- Pengecekan: jawabannya jauh di atas $0$ (semua es meleleh) dan di bawah $24$. Melewati langkah pelelehan memberikan $21\ °\text{C}$ — kesalahan paling umum.
$20\ \text{g}$ es pada $0\ °\text{C}$ ditambahkan ke $200\ \text{g}$ air pada $30\ °\text{C}$ dalam cangkir terisolasi. Ambil $L_{\text{f}} = 3.3 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}}$ dan $c = 4200\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$. Berapakah suhu akhir, dalam °C?
Melebur: $0.020 \times 3.3 \times 10^{5} = 6600\ \text{J}$. Kemudian $6600 + 0.020 \times 4200 \times T = 0.200 \times 4200 \times (30 - T)$, sehingga $6600 + 84T = 25200 - 840T$, memberikan $T = 20.1\ °\text{C}$.
Urutkan tahap-tahap energi untuk mengubah es -10 C menjadi uap.
Setiap tahap menggunakan rumus berbeda dan konstanta berbeda. Menggunakan mc(delta T) selama perubahan fase, atau mL untuk kenaikan suhu, adalah kesalahan standar.
Berapa banyak energi yang diperlukan untuk mencairkan 0.20 kg es pada suhu 0 C? (kalor laten lebur 3.3e5 J/kg) Berikan jawaban dalam kJ.
E = mL = 0.20 x 3.3e5 = 6.6e4 J = 66 kJ, semuanya pada suhu 0 C tanpa perubahan suhu sama sekali. Tidak ada delta T pada tahap ini.
Contoh terpecahkan: memanaskan balok pada tekanan konstan
Sebuah balok logam $2.0\ \text{kg}$ dipanaskan oleh $100\ \text{K}$ pada tekanan atmosfer ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$) dan berekspansi sebesar $1.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{3}$. Ia menyerap $7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ energi termal.
- Usaha dilakukan balok pada udara: $p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-6} = 0.10\ \text{J}$ — jadi usaha yang dilakukan pada balok adalah $-0.10\ \text{J}$ (ia berekspansi, mendorong udara menjauh).
- Hukum pertama: kenaikan energi dalam adalah $q + W = 7.8 \times 10^{4} - 0.1 \approx 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$.
- Kalor jenis: $c = \dfrac{q}{m\Delta T} = \dfrac{7.8 \times 10^{4}}{2.0 \times 100} = 390\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$ — tembaga.
- Pengecekan: untuk padatan usaha ekspansi sangat kecil, sehingga pemanasan pada tekanan konstan dan pada volume konstan memberikan hampir sama $c$. Untuk gas perbedaannya besar, yang merupakan inti topik berikutnya.
$Q = mc\Delta T$ tidak memiliki suku untuk perubahan fase — di titik plateau gunakan $Q = mL$ dengan $\Delta T = 0$. Pertahankan massa dalam kg ketika $c$ berada dalam $\dfrac{\text{J}}{\text{kg}\,\text{K}}$. Dan definisi memerlukan kualifikatornya: "per satuan massa" dan "per kenaikan suhu satuan" untuk $c$; "per satuan massa" dan "pada suhu konstan" untuk $L$.
Frasa manakah yang harus muncul dalam definisi lengkap kalor laten penguapan spesifik? Pilih semua yang berlaku.
Kalor laten adalah energi per satuan massa untuk mengubah fase pada suhu konstan. "Per kelvin" milik kapasitas panas spesifik, di mana suhu berubah.
Mengukur $c$ dan $L$ di laboratorium
- Pemanasan listrik: $Q = VIt$ (atau $Pt$) dari pemanas rendam; plot suhu terhadap waktu dan gunakan gradien, sehingga kehilangan panas dapat dikoreksi.
- Untuk $L_{\text{v}}$: panaskan cairan pada titik didihnya dan ukur massa yang menguap dalam waktu tertentu; ulangi pada daya kedua agar kehilangan panas, yang sama dalam kedua percobaan, saling menghilangkan.
- Sumber kesalahan: energi yang hilang ke lingkungan dan wadah, serta penguapan sebelum mendidih — biarkan alat stabil dan ambil pembacaan hanya setelah suhu konstan.
Anda telah memahaminya
- $Q = mc\Delta T$ untuk mengubah suhu (energi per satuan massa per kelvin); $c$ air tinggi
- selama perubahan fase suhu tetap konstan: $Q = mL$ (energi per satuan massa pada suhu konstan)
- $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$ (pendedahan memisahkan molekul sepenuhnya dan melakukan kerja melawan atmosfer); lelehkan dulu, lalu hangatkan, dalam masalah pencampuran