Suhu

Kalor (energi termal) mengalir dari suhu lebih tinggi ke suhu lebih rendah. Ketika dua benda bersentuhan, energi berpindah hingga suhu mereka sama — mereka mencapai kesetimbangan termal. Pada kesetimbangan, tidak ada aliran energi bersih.

Dua daerah pada suhu yang sama berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain — tidak ada aliran energi bersih, meskipun partikel masih bertukar energi.

Suhu menentukan arah aliran panas. Suhu bukan ukuran berapa banyak energi termal yang dipegang oleh suatu benda. Secangkir kecil air mendidih (100 °C) menyimpan jauh lebih sedikit energi daripada kolam renang pada 25 °C, namun sepotong logam yang dimasukkan ke dalam cangkir memperoleh energi sementara yang dimasukkan ke dalam kolam kehilangannya.

Ungkapan penguji. Dua benda berada dalam kesetimbangan termal ketika tidak ada perpindahan energi termal bersih di antara mereka; hal ini terjadi ketika mereka berada pada suhu yang sama. Ditanya "alasan mengapa dua benda pada suhu yang sama berada dalam kesetimbangan termal", poin satu adalah: tidak ada aliran energi termal bersih di antara mereka — energi tetap berpindah dua arah, tetapi secara setara. Energi termal adalah energi yang ditransfer karena adanya perbedaan suhu; suhu adalah penentu arahnya.

Contoh terpecahkan. Dua balok kubus P dan Q bersentuhan secara termal dan berada dalam kesetimbangan termal. Jelaskan apa artinya ini, dan deskripsikan apa yang terjadi ketika balok kubus yang lebih panas diletakkan di dekatnya.

Tidak ada energi termal bersih yang berpindah antara P dan Q, karena mereka berada pada suhu yang sama. Balok kubus yang lebih panas mentransfer energi termal ke mereka (dari suhu tinggi ke rendah) hingga ketiga-tiganya mencapai satu suhu bersama; kemudian, dan hanya kemudian, seluruh kelompok tersebut berada dalam kesetimbangan termal.

Setiap sifat fisik yang berubah secara berulang sesuai dengan suhu dapat menjadi termometer. Contoh:

• volume cairan — termometer raksa atau alkohol. Saat suhu naik, cairan memuai dan naik ke dalam pipa kapiler yang sempit.
• volume gas pada tekanan konstan — termometer gas. Volume gas meningkat seiring dengan kenaikan suhu mutlak.
• resistansi logam — termometer resistansi. Resistansi logam meningkat hampir seiring dengan kenaikan suhu dalam rentang yang luas.
• g.g.b. termokopel — termokopel adalah dua logam berbeda yang disambungkan pada dua titik; gaya gerak listrik yang dihasilkan bergantung pada perbedaan suhu antar sambungan tersebut.

Termometer yang berbeda dapat menunjukkan pembacaan sedikit berbeda jika sifat fisiknya tidak berubah secara linear; mereka hanya sepakat pada titik kalibrasi.

Titik tetap dan kalibrasi. Termometer dikalibrasi pada dua titik tetap yang mudah direproduksi — titik es ($0\ ^{\circ}\text{C}$, es murni mencair) dan titik uap ($100\ ^{\circ}\text{C}$, uap di atas air mendidih pada tekanan standar). Nilai sifat fisik diukur pada masing-masing titik, dan skala di antaranya digambar dengan asumsi sifat tersebut berubah linear terhadap suhu. Asumsi ini adalah kelemahannya: pemuaian raksa, resistansi logam, dan g.g.b. termokopel semuanya bervariasi sedikit berbeda di antara titik-titik tetap, sehingga dua termometer yang sepakat pada $0$ dan $100\ ^{\circ}\text{C}$ dapat berbeda pada $50\ ^{\circ}\text{C}$.

Mengapa termometer raksa tidak mengukur suhu termodinamika (alasan poin satu): pembacanya bergantung pada sifat zat tertentu — yaitu pemuaian raksa atau alkohol — dan pada asumsi bahwa pemuaian ini bersifat linear di antara titik-titik tetap. Skala termodinamika tidak bergantung pada zat apa pun sama sekali.

Mengapa air adalah cairan termometrik yang buruk. Kepadatannya tidak berubah secara stabil dengan suhu: maksimumnya berada pada $4\ ^{\circ}\text{C}$, sehingga antara $0$ dan $8\ ^{\circ}\text{C}$ dua suhu yang berbeda menghasilkan kepadatan yang sama dan pembacaannya ambigu, serta perubahannya per derajat sangat kecil, sehingga termometer kurang peka. Kepadatan raksa menurun secara stabil dan hampir linear di seluruh rentang, itulah sebabnya ia dipilih.

Contoh terpecahkan. Termometer resistansi platinum adalah kumparan kawat platinum dalam tabung kaca, terhubung ke rangkaian yang mengukur resistansinya. Jelaskan bagaimana cara kerjanya mengukur suhu, dan sebutkan satu kerugian dibandingkan dengan termokopel.

Resistansi platina meningkat dengan suhu secara teratur dan hampir linear; resistansi diukur pada titik es dan titik uap, dan suhu lainnya dibaca dari posisi resistansi terukur jatuh pada skala linear di antara keduanya (atau dari grafik kalibrasi). Kerugian: kumparan, tabung, dan fluida di sekitarnya memiliki kapasitas termal yang besar, sehingga termometer merespons lambat dan tidak dapat mengikuti perubahan suhu yang cepat; juga berukuran besar dan memerlukan rangkaian untuk membacanya. (Keuntungannya: akurat, stabil, dan dapat digunakan dalam rentang yang sangat luas.)

Contoh terpecahkan. Dalam termometer gas volume tetap, tekanan gas adalah $1.05 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ ketika bola lampu berada dalam es yang mencair dan $1.19 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ ketika berada di ruang hangat. Temukan suhu termodinamika ruangan tersebut, dan jelaskan mengapa termometer ini, berbeda dengan termometer cairan dalam kaca, memberikan suhu termodinamika secara langsung.

Untuk massa gas tetap pada volume konstan, tekanan berbanding lurus dengan suhu termodinamika, sehingga $\dfrac{T}{273.15} = \dfrac{1.19 \times 10^{5}}{1.05 \times 10^{5}}$, menghasilkan $T = 310\ \text{K}$ ($36\ ^{\circ}\text{C}$). Tekanan gas (hampir) ideal hanya bergantung pada suhunya, bukan jenis gasnya, sehingga pembacaan tidak bergantung pada sifat zat tertentu — ciri definisi skala termodinamika.

Skala suhu termodinamika (atau suhu absolut) tidak bergantung pada satu zat pun — hanya pada hukum-hukum termodinamika. Satunya adalah kelvin (K).

Nol mutlak

Suhu terendah yang mungkin adalah nol kelvin ($0\ \text{K}$), yang disebut nol mutlak. Di sana sistem memiliki energi dalam paling minimum — partikel tidak memiliki gerakan acak yang berarti. Tidak ada yang dapat didinginkan di bawah titik ini.

Sesuai permintaan soal ujian. "Nyatakan besaran dan satuan nol mutlak pada skala termodinamika": $0\ \text{K}$ (satuannya adalah kelvin). "Nyatakan suhu nol mutlak pada skala Celcius": $-273.15\ ^{\circ}\text{C}$ (diterima $-273\ ^{\circ}\text{C}$). "Apa itu nol mutlak?": suhu di mana sistem memiliki energi dalam minimum — partikel memiliki energi kinetik dan potensial terkecil yang mungkin dimilikinya — dan di bawahnya mustahil untuk turun. Skala termodinamika ditetapkan oleh nol mutlak dan oleh titik tiga fase air, yang didefinisikan sebagai $273.16\ \text{K}$; tidak bergantung pada sifat zat tertentu.

Skala Celsius

Skala Celsius $\theta$ bergeser dari skala termodinamika sebesar jumlah tetap:

Sehingga $0\ ^{\circ}\text{C} = 273.15\ \text{K}$ dan $100\ ^{\circ}\text{C} = 373.15\ \text{K}$. Satu kelvin dan satu derajat Celsius memiliki ukuran yang sama, sehingga perbedaan suhu $1\ \text{K}$ setara dengan $1\ ^{\circ}\text{C}$ — tetapi nilai mutlaknya berbeda $273.15$.

Dalam perhitungan hukum gas, Anda harus selalu menggunakan suhu absolut dalam kelvin. Menggunakan °C akan menghasilkan jawaban yang salah.

Kapasitas kalor jenis $c$ suatu zat adalah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu massa unit sebanyak satu kelvin:

Satuan: $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.

Definisi dua poin: kapasitas kalor jenis adalah energi yang diperlukan per satuan massa zat untuk menaikkan suhunya satu kelvin (atau satu derajat). Kedua frasa "per satuan massa" dan "per kenaikan suhu unit" diperlukan; "energi untuk memanaskan 1 kg sebesar 1 K" mendapat nilai, tetapi "energi untuk memanaskan zat" tidak.

Contoh-contoh:

• air: $c \approx 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ (tinggi — mengapa air menjadi pendingin yang baik dan mengapa lautan menstabilkan iklim).
• aluminium: $c \approx 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
• tembaga: $c \approx 385\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.

Untuk mencari $c$ yang tidak diketahui melalui eksperimen: berikan energi yang diketahui $Q$ secara listrik ($Q = VIt$, dari daya), lalu ukur kenaikan suhu $\Delta T$ dari massa yang diketahui $m$. Kemudian $c = Q/(m\Delta T)$. Kurangkan kehilangan panas dengan isolasi dan gunakan kenaikan sekitar 10 K (cukup besar untuk diukur dengan baik, cukup kecil untuk membatasi kehilangan).

Contoh terpecahkan. Berapa banyak energi yang diperlukan untuk memanaskan $0.50\ \text{kg}$ air dari $20\ ^{\circ}\text{C}$ menjadi $100\ ^{\circ}\text{C}$? (Kapasitas kalor jenis air $c = 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)

Perbedaan suhu sama dalam K dan °C, sehingga $\Delta T = 80$:

Ketika dua benda mencapai kesetimbangan termal tanpa panas hilang ke lingkungan, energi yang didapat oleh benda yang lebih dingin sama dengan energi yang hilang oleh benda yang lebih panas:

Contoh terpecahkan. $0.20\ \text{kg}$ air pada $80\ ^{\circ}\text{C}$ dicampur dengan $0.30\ \text{kg}$ air pada $20\ ^{\circ}\text{C}$, tanpa kehilangan panas. Temukan suhu akhir.

Panas yang hilang dari air panas sama dengan panas yang didapat air dingin ($c$ air saling menghilangkan):

Contoh terpecahkan. Gelas ukur bermassa $42\ \text{g}$ dan kapasitas panas spesifik $840\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ berisi $120\ \text{g}$ cairan. Pemanas menyediakan energi sebesar $810\ \text{W}$ dan suhu gelas serta cairan naik dari $19\ ^{\circ}\text{C}$ ke $47\ ^{\circ}\text{C}$ dalam waktu $15\ \text{s}$. Tentukan kapasitas panas spesifik cairan. Eksperimen kemudian diulang dengan menggantikan cairan dengan air; nyatakan dan jelaskan bagaimana kenaikan suhu berbeda.

Energi yang disuplai $Q = Pt = 810 \times 15 = 1.22 \times 10^{4}\ \text{J}$, $\Delta T = 28\ \text{K}$. Ini memanaskan kedua gelas dan cairan: $Q = m_{\text{b}}c_{\text{b}}\Delta T + m_{\text{l}}c_{\text{l}}\Delta T$, sehingga $1.215 \times 10^{4} = 0.042 \times 840 \times 28 + 0.120 \times c_{\text{l}} \times 28$, yaitu $1.215 \times 10^{4} = 988 + 3.36c_{\text{l}}$, menghasilkan $c_{\text{l}} = 3.3 \times 10^{3}\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$. Melupakan gelas adalah kesalahan umum yang menyebabkan hilangnya poin. Dengan air ($c = 4200$, lebih tinggi), energi yang sama dalam waktu yang sama menghasilkan kenaikan suhu yang lebih kecil, karena $\Delta T = Q/(mc)$ dan $mc$ lebih besar. Jika energi hilang ke lingkungan, nilai $Q$ yang sebenarnya terserap kurang dari $Pt$, sehingga nilai $c$ yang ditemukan dengan cara ini adalah perkiraan berlebihan.

Contoh terpecahkan. Dua blok logam X dan Y diletakkan bersentuhan dan diisolasi dari lingkungan. X (massa $0.50\ \text{kg}$, suhu awal $80\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 390\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) dan Y (massa $0.50\ \text{kg}$, suhu awal $20\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) mencapai suhu akhir yang sama. Jelaskan, berdasarkan konsep energi, mengapa suhu akhirnya lebih dekat ke suhu awal Y, dan tentukan nilainya.

Energi termal mengalir dari X (lebih panas) ke Y hingga mereka berada dalam kesetimbangan termal; energi yang hilang oleh X sama dengan energi yang diterima oleh Y. Karena Y memiliki kapasitas kalor jenis yang lebih besar, jumlah energi tertentu akan mengubah suhunya lebih sedikit dibandingkan perubahan suhu pada X, sehingga Y memanas kurang banyak derajat daripada X mendingin, dan suhu akhir terletak lebih dekat ke $20\ ^{\circ}\text{C}$. Secara numerik: $0.50 \times 390 \times (80 - T) = 0.50 \times 900 \times (T - 20)$, sehingga $390(80 - T) = 900(T - 20)$, $31200 + 18000 = 1290T$, $T = 38\ ^{\circ}\text{C}$.

Contoh terpecahkan. Sebuah blok aluminium memiliki volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ dan densitas $2.70 \times 10^{3}\ \text{kg m}^{-3}$. Tentukan energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhunya sebesar $40\ \text{K}$ ($c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).

Massa $= \rho V = 2.70 \times 10^{3} \times 3.612 \times 10^{-3} = 9.75\ \text{kg}$, sehingga $Q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. Menemukan massa yang tersembunyi di balik densitas dan volume merupakan langkah pertama yang umum.

Ketika suatu zat mengalami perubahan wujud (padat ↔ cair, atau cair ↔ gas) pada suhu tetap, energi harus disuplai (atau dilepaskan) tanpa perubahan suhu. Energi ini disebut kalor laten.

Kalor laten spesifik $L$ adalah energi untuk mengubah wujud satuan massa pada suhu tetap:

Satuan: $\text{J kg}^{-1}$.

Definisi bernilai dua poin: kalor laten spesifik adalah energi yang diperlukan per satuan massa untuk mengubah wujud suatu zat tanpa perubahan suhu. "Tanpa perubahan suhu" (atau "pada suhu tetap") adalah poin kedua dan yang paling sering terlewat. Tambahkan "dari padat ke cair" untuk leburan atau "dari cair ke gas" untuk penguapan jika yang diminta adalah salah satu secara khusus.

Dua jenis:

• kalor laten leburan spesifik $L_{\text{f}}$ — untuk melebur atau membeku (padat ↔ cair).
• kalor laten penguapan spesifik $L_{\text{v}}$ — untuk mendidih atau mengembun (cair ↔ gas).

Untuk air pada tekanan atmosfer: $L_{\text{f}} \approx 3.34 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$ (pada $0\ ^{\circ}\text{C}$); $L_{\text{v}} \approx 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$ (pada $100\ ^{\circ}\text{C}$). Jadi $L_{\text{v}}$ sekitar 7 kali $L_{\text{f}}$.

Contoh terpecahkan. Pemanas $2.0\ \text{kW}$ mendidihkan air yang sudah pada suhu $100\ ^{\circ}\text{C}$. Berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk mengubah $0.10\ \text{kg}$ air ini menjadi uap? ($L_{\text{v}} = 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$, tidak ada panas yang hilang.)

Energi yang dibutuhkan adalah $Q = mL_{\text{v}} = 0.10 \times 2.26 \times 10^{6} = 2.26 \times 10^{5}\ \text{J}$. Dari $Q = Pt$,

Contoh terpecahkan. Air dalam teko tetap pada suhu $100\ ^{\circ}\text{C}$ saat mendidih, meskipun elemen pemanas terus memanaskannya. Jelaskan hal ini dengan merujuk pada energi molekul (3 poin).

Suhu adalah ukuran rata-rata energi kinetik molekul. Selama pendidihan, energi yang disuplai digunakan untuk memisahkan molekul-molekul tersebut — melakukan kerja melawan gaya tarik-menarik antar molekul dan melawan atmosfer saat uap berekspansi — sehingga meningkatkan energi potensial molekul, bukan energi kinetiknya. Dengan energi kinetik rata-rata yang tidak berubah, suhu tetap konstan hingga seluruh air berubah menjadi uap.

Mengapa $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$

Dua alasan, keduanya berasal dari gambar partikel materi:

1. Ikatan: dalam peleburan, hanya sebagian ikatan antarmolekul yang putus; partikel tetap berdekatan sebagai cairan. Dalam penguapan, semua ikatan harus putus agar partikel dapat terpisah. Memutus semuanya membutuhkan lebih banyak energi.
2. Kerja melawan atmosfer: ketika cairan berubah menjadi gas, volumenya melonjak sangat besar (uap memiliki volume sekitar $10^{3}$ kali volume cairan), sehingga ia melakukan kerja mendorong kembali tekanan atmosfer sekitar. Kerja itu berasal dari energi yang disuplai.

Tulis kedua alasan dan sebutkan energinya: poin diberikan untuk ikatan putus (energi potensial meningkat) — sebagian dalam peleburan, semua dalam penguapan, dan kerja dilakukan melawan atmosfer dalam ekspansi besar. "Pendidihan butuh lebih banyak energi" hanyalah pengulangan pertanyaan.

Contoh terpecahkan. Sebuah wadah berisi $7.2 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ cairan dengan densitas $710\ \text{kg m}^{-3}$ dan kalor laten penguapan spesifik $3.6 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$. Cairan tersebut menguap sepenuhnya. Tentukan energi yang diserap, dan usulkan, beserta alasannya, apakah kalor laten leburan spesifik zat tersebut kemungkinan lebih kecil atau lebih besar dari nilai ini.

Massa $= \rho V = 710 \times 7.2 \times 10^{-5} = 5.1 \times 10^{-2}\ \text{kg}$, sehingga energi yang diserap adalah $Q = mL_{\text{v}} = 5.1 \times 10^{-2} \times 3.6 \times 10^{5} = 1.8 \times 10^{4}\ \text{J}$. Nilai $L_{\text{f}}$-nya kemungkinan lebih kecil: peleburan hanya memutus sebagian ikatan antarmolekul dan volumenya hampir tidak berubah, sedangkan penguapan memutus semuanya dan melakukan kerja melawan atmosfer — untuk air $L_{\text{f}}$ sekitar satu per tujuh dari $L_{\text{v}}$.

Masalah bertahap

Jika sebuah masalah mencampur perubahan suhu dan perubahan fase (misalnya es pada $-5\ ^{\circ}\text{C}$ dipanaskan menjadi air pada $30\ ^{\circ}\text{C}$):

1. panaskan padatan dari $-5\ ^{\circ}\text{C}$ ke $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{1} = m c_{\text{ice}} \times 5$.
2. leburkan pada $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{2} = m L_{\text{f}}$.
3. panaskan air dari $0\ ^{\circ}\text{C}$ ke $30\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{3} = m c_{\text{water}} \times 30$.

Total: $Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}$. Perubahan fase terjadi pada suhu tetap, jadi gunakan $mL$ di sana, bukan $mc\Delta T$.

Ketika soal memberikan daya pemanas $P$ dan meminta waktu, gunakan $Q = Pt$ (dengan asumsi tidak ada kehilangan panas). Mengisolasi (melapisi) wadah dan menggunakan massa kecil adalah cara umum untuk meningkatkan akurasi eksperimen.

Contoh terpecahkan. Es balok bermassa $37.0\ \text{g}$ pada suhu $0.0\ ^{\circ}\text{C}$ dimasukkan ke dalam $208\ \text{g}$ air pada suhu $26.4\ ^{\circ}\text{C}$ dalam gelas isolasi. Tentukan suhu akhir ketika semua es telah mencair. ($c_{\text{water}} = 4.20\ \text{kJ kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$, $L_{\text{f}} = 334\ \text{kJ kg}^{-1}$.)

Es memperoleh energi dua kali — untuk mencair, lalu untuk menghangat dari $0$ ke $T$ — dan air kehilangan energi saat pendinginan dari $26.4$ ke $T$. Bekerja dalam gram dan kilojoule: $37.0 \times 0.334 + 37.0 \times 4.20 \times 10^{-3}\,T = 208 \times 4.20 \times 10^{-3}\,(26.4 - T)$, yaitu $12.4 + 0.155T = 23.1 - 0.874T$, sehingga $1.03T = 10.7$ dan $T = 10\ ^{\circ}\text{C}$. Tiga suku energi, satu persamaan; kesalahan paling umum adalah melupakan bahwa es yang mencair juga harus dipanaskan.

Soal definisi dinilai berdasarkan frasa tetap. Hafalkan ini persis, dan berikan hanya satu jawaban.

• Kesetimbangan termal berarti tidak ada aliran bersih energi termal (suhu sama); skala termodinamika tidak bergantung pada zat tertentu dan ditetapkan oleh nol mutlak serta titik triple.
• Konversi suhu menggunakan $T/\text{K} = \theta/^\circ\text{C} + 273.15$ dan gunakan kelvin dalam persamaan energi dan gas; selisih suhu adalah sama dalam K dan °C.
• Gunakan $Q = mc\Delta T$ untuk pemanasan dan $Q = mL$ untuk perubahan wujud (tanpa perubahan suhu) — jangan pernah mencampurkan keduanya, dan dalam masalah pencampuran tulis satu persamaan: energi hilang $=$ energi diperoleh, dengan setiap suku.
• Wadah yang dipanaskan bersama cairan mengambil bagian energinya: sertakan $m_{\text{beaker}}c_{\text{beaker}}\Delta T$.
• Untuk penjelasan "mengapa" tentang kalor laten, sebutkan jenis energinya: energi potensial molekul meningkat (ikatan putus, kerja melawan atmosfer), energi kinetik dan karenanya suhu tidak berubah.

Kesalahan umum

• Mendefinisikan kapasitas panas spesifik tanpa "per satuan massa" atau tanpa "per kelvin". Keduanya diperlukan; unit $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ adalah pengingat.
• Melewatkan frasa "pada suhu konstan" dalam definisi kalor laten. Frasa inilah yang membedakan kalor laten dari pemanasan.
• Menggunakan $mc\Delta T$ melintasi perubahan wujud, atau $mL$ untuk kenaikan suhu.
• Melupakan gelas kimia, kalorimeter, atau pemuaian es yang telah mencair sendiri dalam persamaan energi.
• Menyatakan bahwa skala termodinamika "menggunakan kelvin" sebagai fitur penentunya. Fitur utamanya adalah tidak bergantung pada zat tertentu.
• Menambahkan $273.15$ ke selisih suhu selisih. Selisihnya sama di kedua skala.