Model partikel materi

Mengapa sendok logam tenggelam sementara kapal raksasa terapung? Mengapa keringat membuat tubuh dingin? Kedua jawabannya terletak pada model partikel. Referensi ini mencakup AQA GCSE Physics 8463, topik 4.3 Model partikel materi.

Bagaimana ujian memperlakukan topik ini:

• Kertas 1 (4.1–4.4) membawa topik ini. Latih memilih dan menyusun ulang $\rho = m/V$, $\Delta E = mc\Delta\theta$, $E = mL$, dan $pV = \text{constant}$. Gunakan Lembar Persamaan Fisika yang disediakan untuk seri ujian Anda jika tersedia.
• Tekanan dalam gas dan melakukan usaha pada gas adalah hanya fisika (usaha pada gas juga untuk Tingkat Lanjut).
• Anda harus menginterpretasikan grafik pemanasan dan pendinginan yang mencakup perubahan wujud.
• Anda harus membedakan kapasitas panas jenis dari kalor laten jenis secara kata-kata maupun dalam perhitungan.

• $\rho$ densitas dalam kg/m³; $m$ massa dalam kg; $V$ volume dalam m³.
• Use consistent units. To express a result in kg/m³, convert g/cm³. $1\ \text{g/cm}^3 = 1000\ \text{kg/m}^3$ (multiply by 1000: a cm³ is a millionth of a m³ and a gram is a thousandth of a kg).

Model partikel menjelaskan keadaan materi:

Keadaan	Susunan	Pergerakan
padat	rapat, teratur	bergetar di sekitar posisi tetap
cair	rapat, tidak teratur	bergerak melewati satu sama lain
gas	berjauhan	acak; lintasan lurus antar tumbukan

• Padatan dan cecair mempunyai ketumpatan yang serupa kerana susunan partikelnya adalah sama; gas kebanyakannya ruang kosong.
• Air batu adalah tidak biasa: air meluas apabila membeku, jadi air batu sedikit kurang padat daripada air.

Contoh tertera. Sebuah cincin mempunyai jisim 9.46 g dan isipadu 0.44 cm³. Cari ketumpatannya dalam kg/m³.

• Tukar kedua-duanya terlebih dahulu: $m = 9.46\ \text{g} = 9.46\times10^{-3}\ \text{kg}$; $V = 0.44\ \text{cm}^3 = 4.4\times10^{-7}\ \text{m}^3$.
  $$\rho = \frac{m}{V} = \frac{9.46\times 10^{-3}\ \text{kg}}{4.4\times 10^{-7}\ \text{m}^3} = 21\,500\ \text{kg/m}^3$$

Tuntutan ujian sebenarnya: massa jenis

AQA Juni 2025 8463/1H Q01.3: 824000 kg air laut melewati turbin setiap detik; densitasnya 1030 kg/m³. Pilih $\rho=m/V$, lalu susun ulang:

Ini adalah volume yang melewati setiap detik. AQA Juni 2024 Q07.5 membalikkan contoh cincin: diberikan densitas 21500 kg/m³ dan volume 0.44 cm³, hitung massa. Konversi volume, lalu gunakan $m=\rho V=21500\ \mathrm{kg/m^3}\times4.4\times10^{-7}\ \mathrm{m^3}=0.00946\ \mathrm{kg}$.

Contoh cairan tulisan guru. Tabung kosong beratnya 42 g; tabung ditambah 60 cm³ cairan beratnya 90 g. Kurangi $m=90\ \mathrm{g}-42\ \mathrm{g}=48\ \mathrm{g}$, lalu bagi dengan $\rho=m/V=48\ \mathrm{g}/60\ \mathrm{cm^3}=0.80\ \mathrm{g/cm^3}$.

Praktikal diperlukan 5: ketumpatan

• Padatan berkala: ukur panjang, lebar dan ketebalan dengan pembaris (atau mikrometer/pencap Vernier), darabkan untuk $V$; cari $m$ pada penimbang beralas; $\rho = m/V$.
• Padatan tidak sekata: isi beaker sesapan (eureka) sehingga paras muncung, tunggu hingga titisan berhenti, turunkan objek menggunakan benang nipis; isipadu air yang dikumpulkan dalam silinder ukur sama dengan isipadu objek.
• Cecair: cari jisim silinder ukur kosong, kemudian jisim dengan isipadu tertentu di dalamnya; tolak untuk $m$.
• Titak ketepatan: baca silinder ukur pada aras mata di atas permukaan rata (elakkan parallax); gunakan benang nipis supaya hampir tiada air yang tersesap; ulang dan puratakan.

AQA Juni 2022 8463/1H Q02.1–02.4: deskripsikan metode densitas batuan lengkap, lalu interpretasikan $2.55\pm0.10$g/cm³ sebagai rentang 2.45–2.65 g/cm³. Pengukuran berulang memungkinkan rata-rata dan mengurangi efek kesalahan acak; namun tidak menghilangkan kesalahan kalibrasi sistematis. Dalam metode perpindahan silinder, kurangi volume awal dari volume akhir, selamkan batuan sepenuhnya, dan hindari gelembung udara terperangkap.

Apabila sesuatu bahan melebur, membeku, mendidih, menguap, memampat atau menyublim:

• Mass tetap terjaga dalam sistem tertutup: jumlah partikel tidak berubah. Jika uap keluar dari wadah terbuka, sisa materi kehilangan massa, tetapi total termasuk uap yang terlepas tetap terjaga.
• Perubahan wujud adalah perubahan fisik: membalikkan perubahan tersebut dan material akan kembali ke sifat aslinya. (Perubahan kimia menghasilkan zat baru; pelelehan tidak.)

Energi dalam adalah jumlah total energi kinetik dan potensial dari semua partikel yang menyusun suatu sistem. Memanaskan sistem meningkatkan energi partikel, dan energi tersebut masuk ke salah satu dari dua jalur berikut:

1. hal itu meningkatkan suhu — energi kinetik partikel bertambah;
2. ini menghasilkan pelelehan atau pendidihan — energi potensial partikel meningkat saat susunan mereka berubah. Untuk zat murni yang mengalami perubahan wujud pada tekanan konstan, suhu tetap konstan. Selama pembekuan atau pengembunan, energi dilepaskan dan energi potensial menurun.

Saat suhu berubah, energi yang dibutuhkan mengikuti (juga ditemukan pada topik 1):

Kapasitas kalor jenis $c$ (J/kg °C) adalah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu satu kilogram sebesar satu derajat Celsius.

Contoh terarah. 0.030 kg minyak zaitun ($c = 1800$ J/kg °C) dipanaskan dari 21 °C hingga 96 °C.

• Perubahan suhu terlebih dahulu: $\Delta\theta = 96 - 21 = 75$ °C.
  $$\Delta E = mc\Delta\theta = 0.030 \times 1800 \times 75 = 4050\ \text{J}$$

Contoh bantalan pemanas buatan guru. Bantalan 0.20 kg dengan $c=900\ \mathrm{J/(kg\,{}^{\circ}C)}$ memanas dari 22 °C ke 46 °C. Pertama cari $\Delta\theta=46-22=24\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, kemudian:

Metode RP1, analisis kesalahan, dan perhitungan persentase perbedaan dibahas pada lembaran 1.3 — persamaan yang sama, praktikum yang sama.

Untuk zat murni meleleh atau mendidih pada tekanan konstan, suhu tetap konstan sementara energi masuk. Pembekuan dan pengembunan melepaskan energi pada suhu konstan di bawah kondisi yang sama. Energi yang diperlukan disebut kalor laten:

• $E$ energi untuk perubahan wujud dalam J; $m$ massa yang berubah wujud dalam kg; $L$ kalor laten spesifik dalam J/kg.
• Kalor laten spesifik adalah energi yang diperlukan untuk mengubah wujud satu kilogram zat dengan tidak adanya perubahan suhu.
• Fusi: padat menjadi cair. Penguapan: cair menjadi uap. Ini adalah perubahan yang berbeda, dengan nilai $L$ yang berbeda pula. Untuk air, kalor laten penguapan spesifik jauh lebih besar daripada fusi; gunakan nilai untuk bahan dan perubahan yang disebutkan.

Membaca grafik:

• Bagian naik: energi masuk ke energi kinetik — suhu meningkat ($\Delta E = mc\Delta\theta$).
• Bagian datar: energi masuk ke energi potensial — wujud sedang berubah ($E = mL$). Untuk bahan yang sama, perubahan wujud dan daya pemanan bersih konstan, dataran yang lebih panjang berarti lebih banyak massa yang mengalami perubahan wujud. Jika $L$ atau daya pemanan berbeda, waktu saja tidak dapat mengidentifikasi massa.
• Pendinginan memiliki urutan perubahan wujud terbalik: datar saat zat murni membeku atau mengembun pada tekanan konstan, melepaskan kalor laten. Laju dan durasi mungkin tidak mencerminkan grafik pemanasan.

Membedakan keduanya: kapasitas kalor jenis melibatkan perubahan suhu; kalor laten spesifik melibatkan perubahan wujud pada suhu konstan.

Contoh soal dikerjakan buatan guru. Pemanas 30 W berjalan selama 11 menit dan menguapkan $6.6\times10^{-3}$ kg air yang sudah berada pada titik didih. Perkirakan $L$ dengan asumsi seluruh energi pemanas mencapai air mendidih, lalu jelaskan efek kehilangan panas.

• Konversi: $E = Pt = 30\ \text{W} \times 660\ \text{s} = 19\,800$ J.
  $$L = \frac{E}{m} = \frac{19\,800\ \text{J}}{6.6\times 10^{-3}\ \text{kg}} = 3.0\times 10^6\ \text{J/kg}$$

Tuntutan ujian aktual: pendidihan dan akuntansi energi

AQA Juni 2025 8463/1H Q08.1–08.2: 9950 J mendidihkan 50 g nitrogen pada titik didihnya. Konversi $m=0.050\ \mathrm{kg}$, pilih $E=mL$, dan susun ulang:

Selama pendidihan, energi potensial meningkat sementara rata-rata energi kinetik dan suhu tetap konstan; energi internal meningkat.

AQA Juni 2022 Q08.3–08.5: massa gelas kimia dan air turun dari 0.080 kg menjadi 0.071 kg sementara pemanas memindahkan 25200 J. Massa yang menguap adalah 0.009 kg, sehingga $L=E/m=25200\ \mathrm{J}/0.009\ \mathrm{kg}=2.8\times10^6\ \mathrm{J/kg}$. Panas yang dipindahkan ke lingkungan membuat estimasi energi pemanas untuk $L$ terlalu tinggi. Sebaliknya, termasuk air yang hilang sebelum mendidih melebih-lebihkan massa yang terkait dengan energi pendidihan terukur dan membuat estimasi terlalu rendah. Identifikasi besaran terukur mana yang bias sebelum memprediksi hasilnya.

Molekul gas berada dalam gerakan acak yang terus-menerus. Suhunya berkaitan dengan energi kinetik rata-rata molekul: gas lebih panas, partikel bergerak lebih cepat.

Jelaskan tekanan gas menggunakan model partikel:

1. molekul yang bergerak menabrak dinding wadah;
2. setiap tumbukan memberikan gaya tegak lurus terhadap dinding;
3. tekanan adalah gaya per satuan luas—jumlah total banyak tumbukan kecil yang tersebar di seluruh dinding.

Suhu naik (volume tetap) → tekanan naik: molekul bergerak lebih cepat secara rata-rata, sehingga mereka menabrak dinding lebih sering dan lebih keras (gaya lebih besar tiap benturan), sehingga gaya per satuan luas meningkat.

Penjelasan aktual — AQA Juni 2025 8463/1H Q08.3: setelah nitrogen mendidih, suhu gasnya naik dalam wadah bervolume tetap yang tertutup. Rata-rata energi kinetik dan kecepatan rata-rata meningkat; tumbukan menghasilkan gaya lebih besar dan terjadi lebih sering, sehingga tekanan meningkat. Nyatakan kondisi volume tetap.

Gas dapat dimampatkan atau diperluas oleh perubahan tekanan. Untuk massa gas tetap pada suhu konstan:

• $p$ tekanan dalam pascal, Pa; $V$ volume dalam m³.
• Bentuk sebelum/sesudah: $p_1V_1 = p_2V_2$.

Penjelasan partikel untuk masing-masing arah:

• Volume naik → tekanan turun (suhu konstan): pada kecepatan rata-rata yang sama, molekul menabrak setiap satuan luas dinding kurang sering, sehingga gaya per satuan luas menurun.
• Volume turun → tekanan naik: pada kecepatan rata-rata yang sama, molekul bertumbukan dengan setiap satuan luas dinding lebih sering, sehingga gaya per satuan area meningkat.

Contoh terpecahkan. Sebuah jarum suntik berisi 50 cm³ udara pada 100 kPa. Udara tersebut dimampatkan menjadi 20 cm³ pada suhu konstan.

• Konversi atau jaga konsistensi: volume dalam cm³ akan saling menghilangkan; tekanan harus konsisten.
  $$p_1V_1=p_2V_2\quad\Rightarrow\quad p_2=\frac{p_1V_1}{V_2}$$
  $$p_2=\frac{p_1V_1}{V_2}=\frac{100\ \text{kPa}\times50\ \text{cm}^3}{20\ \text{cm}^3}=250\ \text{kPa}$$

Kerja adalah perpindahan energi oleh gaya. Dalam pemampatan cepat dengan sedikit perpindahan panas ke lingkungan, kerja yang dilakukan pada gas meningkatkan energi dalamnya dan dapat menaikkan suhunya.

Rantai yang dipercaya (pompa sepeda): mendorong gagang pompa melakukan kerja pada gas yang terjebak → energi dipindahkan ke partikel gas → energi kinetik rata-ratanya meningkat → suhu gas naik (pompa terasa hangat).

Gas yang melakukan kerja pada lingkungannya dapat mendingin jika energinya tidak digantikan oleh pemanasan. Pemampatan atau perluasan tidak selalu mengubah suhu: perubahan yang cukup lambat dengan pertukaran panas dapat mendekati isothermal. Jangan menerapkan $pV=\text{constant}$ pada pemampatan cepat yang memanaskan gas kecuali suhu konstan dinyatakan atau dibenarkan.

• Konversi g/cm³ ke kg/m³, dan cm³ ke m³, sebelum menggunakan $\rho = m/V$.
• Jelaskan RP5 untuk benda padat beraturan, perpindahan air, dan cairan, beserta titik ketelitiannya.
• Nyatakan bahwa massa kekal dalam perubahan wujud dan bahwa perubahan tersebut bersifat fisik.
• Definisikan energi dalam sebagai total energi kinetik ditambah energi potensial dari partikel-partikelnya.
• Pilih antara $\Delta E = mc\Delta\theta$ (perubahan suhu) dan $E = mL$ (perubahan wujud).
• Bacalah grafik pemanasan: naik = energi kinetik, datar = kalor laten.
• Jelaskan tekanan gas dari tumbukan dinding; gunakan $pV =$ konstan dengan satuan yang konsisten.
• (Fisika saja, HT) Jelaskan mengapa melakukan kerja pada gas meningkatkan suhunya.

Kesalahan umum

• Mencampur satuan dalam densitas. $1\ \text{g/cm}^3 = 1000\ \text{kg/m}^3$; konversikan terlebih dahulu sebelum membandingkan dengan nilai data.
• Menyatakan bahwa suhu meningkat saat suatu zat melebur atau mendidih. Pada bagian datar grafik pemanasan, energi memecah ikatan (energi potensial); suhu tetap konstan.
• Menggunakan $\Delta E = mc\Delta\theta$ untuk perubahan wujud. Perubahan wujud pada suhu konstan membutuhkan $E = mL$, dengan $m$ massa yang mengalami perubahan wujud.
• Menggunakan panas laten yang salah. Peleburan adalah padat → cair; penguapan adalah cair → gas, dan memiliki nilai yang jauh lebih besar untuk air.
• Menyatakan bahwa partikel gas membesar saat dipanaskan. Partikel bergerak lebih cepat secara rata-rata; ukuran partikel itu sendiri tidak berubah.
• Menjelaskan tekanan dengan partikel yang saling bertumbukan. Tekanan gas berasal dari tumbukan dengan dinding wadah.
• Menggunakan $pV$ = konstan ketika suhu berubah. Persamaan ini hanya berlaku untuk massa gas tetap pada suhu konstan.