Apa itu panas, sebenarnya? Perbesar hingga cukup jauh, dan segala sesuatu terdiri dari partikel-partikel kecil yang selalu bergerak. Panaskan sesuatu, partikelnya bergerak lebih cepat. Dinginkan, dan…
Narasi bahasa Inggris · Subtitle bahasa Inggris + 中文 disematkan langsung
2.1
Keadaan zat
Silabus
2.1.1 Keadaan materi
Inti
Tambahan
1 Tahu sifat-sifat pembeda dari padat, cair dan gas
2 Tahu istilah-istilah untuk perubahan keadaan antara padat, cair dan gas (transisi gas ke padat dan padat ke gas tidak diperlukan)
2.1.2 Model partikel
Inti
Tambahan
1 Jelaskan struktur partikel padat, cair dan gas dalam hal susunan, pemisahan dan gerak partikel dan wakilkan keadaan-keadaan ini menggunakan diagram partikel sederhana
6 Tahu bahwa gaya dan jarak antar partikel (atom, molekul, ion dan elektron) serta gerak partikel mempengaruhi sifat padat, cair dan gas
2 Jelaskan hubungan antara gerak partikel dan suhu, termasuk gagasan bahwa ada suhu terendah yang mungkin ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), yang dikenal sebagai nol mutlak, di mana partikel memiliki energi kinetik paling sedikit
3 Jelaskan tekanan dan perubahan tekanan gas dalam hal gerak partikel-partikelnya dan tumbukan mereka dengan suatu permukaan
7 Jelaskan tekanan dan perubahan tekanan gas dalam hal gaya yang dikeluarkan oleh partikel yang menumbuk permukaan, menciptakan gaya per satuan luas
4 Tahu bahwa gerak acak partikel mikroskopis dalam suspensi merupakan bukti bagi model partikel kinetik materi
8 Tahu bahwa partikel mikroskopis dapat digerakkan oleh tumbukan dengan molekul-molekul cepat bergerak dan gunakan istilah atom atau molekul dengan benar sebagai berbeda dari partikel mikroskopis
5 Jelaskan dan jelaskan gerak ini (kadang-kadang dikenal sebagai gerak Brown) dalam hal tumbukan acak antara partikel mikroskopis dalam suspensi dan partikel gas atau cairan
2.1.3 Gas dan skala suhu mutlak
Inti
Tambahan
1 Jelaskan secara kualitatif, dalam hal partikel, efek terhadap tekanan massa gas tetap dari: (a) perubahan suhu pada volume tetap (b) perubahan volume pada suhu tetap
3 Ingat dan gunakan persamaan $pV = \text{constant}$ untuk massa gas tetap pada suhu tetap, termasuk representasi graf dari hubungan ini
2 Konversi suhu antara kelvin dan derajat Celcius; ingat dan gunakan persamaan $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
Sumber: Silabus Cambridge International
Teori kinetik: tekanan gas
Zat ada dalam tiga keadaan: padat, cair dan gas.
Keadaan
Bentuk
Volume
Partikel
Padat
tetap
tetap
rapat, dalam pola teratur, bergetar
Cair
mengikuti bentuk wadah
tetap
rapat, tidak berpola, dapat bergerak melewati satu sama lain
Gas
mengisi wadah
berubah
berjauhan, cepat, gerak acak
Perubahan wujud adalah: lebur (padat → cair), mendidih/menguap (cair → gas), kondensasi (gas → cair) dan pembekuan (cair → padat). Dalam kondensasi, partikel gas melambat dan mendekat satu sama lain untuk membentuk cairan. Dalam pembekuan, partikel cair kehilangan energi dan menempati posisi tetap.
Semua materi tersusun dari partikel yang sangat kecil dan selalu bergerak. Inilah model partikel kinetik.
Dalam zat padat, partikel hanya bergetar di sekitar posisi tetap.
Dalam zat cair, partikel masih berdekatan tetapi dapat meluncus melewati satu sama lain.
Dalam gas, partikel berjauhan dan bergerak cepat ke arah acak.
Partikel yang sama dalam tiga wujud: tetap dan teratur pada padatan, berdekatan namun tidak teratur pada cairan, jauh dan cepat pada gas
Suhu dan energi partikel
Ketika suatu zat dipanaskan, partikelnya bergerak lebih cepat, sehingga memiliki energi kinetik lebih besar. Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata partikel.
Suhu terendah yang mungkin adalah nol mutlak, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. Pada titik ini, partikel memiliki energi seminimal mungkin.
Termometer digital mengukur suhu dengan mendeteksi energi kinetik partikel yang disentuhnya
Tekanan gas
Partikel gas menabrak dinding wadahnya. Setiap tabrakan adalah dorongan kecil. Tekanan gas adalah total gaya dari tabrakan-tabrakan tersebut per satuan luas.
Tekanan gas adalah total gaya dari countless tabrakan partikel pada setiap satuan luas dinding
Memanaskan gas (pada volume konstan) membuat partikel bergerak lebih cepat, menabrak lebih keras dan lebih sering, sehingga tekanan meningkat.
Memampatkan gas ke dalam volume yang lebih kecil (pada suhu konstan) berarti lebih banyak tabrakan per detik pada setiap satuan luas, sehingga tekanan meningkat.
Untuk massa gas tetap pada suhu konstan:
$$pV = \text{constant}$$
Jadi jika volume berkurang setengah, tekanannya menjadi dua kali lipat.
Pada suhu konstan, grafik tekanan–volume adalah kurva: kurangi volume separuh dan tekanannya menjadi dua kali lipat, sehingga $pV$ tetap konstan
Contoh soal. Gas memiliki volume $200\ \text{cm}^3$ pada tekanan $100\ \text{kPa}$. Gas tersebut dimampatkan menjadi $50\ \text{cm}^3$ pada suhu konstan. Tentukan tekanan baru.
Karena $pV$ tetap konstan, maka $p_1 V_1 = p_2 V_2$:
Jika Anda mengamati asap di udara di bawah mikroskop, Anda melihat butiran-butiran kecil bergerak secara getar-acak. Ini disebut gerak Brown. Butiran-butiran tersebut didorong oleh partikel udara yang cepat dan tak terlihat yang menabraknya. Ini merupakan bukti kuat bagi model partikel kinetik.
Tabrakan acak dari partikel udara yang cepat mendorong butiran asap sepanjang lintasan yang getar-acak
Skala kelvin
Para ilmuwan sering menggunakan skala suhu kelvin (K), yang dimulai dari nol mutlak. Untuk mengonversi:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
Jadi $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.
Contoh soal. Konversikan $25\,{}^{\circ}\text{C}$ ke kelvin, dan $200\ \text{K}$ ke derajat Celsius.
Geserkan piston masuk untuk mengecilkan isipadu. Zarah yang sama dipadatkan ke ruang yang lebih kecil, jadi mereka menampar dinding lebih kerap dan tekanan meningkat — manakala tekanan × isipadu kekal tetap.
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/
transfer energi termal
2.2
Pemuaian termal
Silabus
2.2.1 Pemuaian termal padatan, cecair dan gas
Inti
Tambahan
1 Jelaskan secara kualitatif pemuaian termal pada padatan, cecair dan gas pada tekanan malar
3 Jelaskan, berdasarkan pergerakan dan susunan zarah, urutan magnitud relatif pemuaian padatan, cecair dan gas apabila suhu mereka meningkat
2 Terangkan beberapa aplikasi dan kesan harian daripada pemuaian termal
2.2.2 Kapasiti hab tentu
Inti
Tambahan
1 Tahu bahawa kenaikan suhu sesuatu objek meningkatkan tenaga dalamnya
2 Terangkan kenaikan suhu sesuatu objek sebagai peningkatan tenaga kinetik purata semua zarah dalam objek tersebut
3 Takrifkan kapasiti hab tentu sebagai tenaga yang diperlukan per unit jisim per unit kenaikan suhu; ingat dan gunakan persamaan
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Terangkan eksperimen untuk mengukur kapasiti hab tentu bagi padatan dan cecair
2.2.3 Peleburan, pendidihan dan penewapan
Inti
Tambahan
1 Terangkan peleburan dan pendidihan dari segi input tenaga tanpa perubahan suhu
6 Terangkan perbezaan antara pendidihan dan penewapan
2 Tahu suhu peleburan dan pendidihan air pada tekanan atmosfera piawai
3 Terangkan kondensasi dan pembekuan dari segi zarah
4 Terangkan penewapan dari segi keluarnya zarah yang lebih berenergi dari permukaan cecair
7 Terangkan bagaimana suhu, luas permukaan dan pergerakan udara di atas permukaan mempengaruhi penewapan
5 Tahu bahawa penewapan menyebabkan penyejukan cecair
8 Jelaskan penyejukan sesuatu objek yang bersentuhan dengan cecair yang sedang menewap
Sumber: Silabus Cambridge International
Ketika materi dipanaskan, partikelnya bergerak lebih banyak dan memakan ruang lebih besar, sehingga material memuai. Gas memuai paling banyak, diikuti cairan, kemudian padatan. Urutan ini berasal dari gaya antar partikel: dalam padatan, partikel diikat erat dalam kisi kristal (pola tetap), sehingga mereka hanya bisa bergetar sedikit; dalam cairan, ikatan mereka lebih lemah; dalam gas, gayanya sangat lemah, sehingga partikel tersebar jauh lebih luas.
Contoh sehari-hari: celah dibiarkan antara rel kereta api; jembatan diletakkan di atas rol; penutup logam yang ketat menjadi longgar saat dipanaskan.
Celah kecil dibiarkan antar rel saat dingin, sehingga ketika memuai karena panas, celah tersebut tertutup alih-alih menyebabkan track melengkung
Jelajahi
Pemanasan dan kapasiti haba tentu
Q = mcΔT
Tenaga haba yang diperlukan adalah berkadar dengan kenaikan suhu untuk jisim bahan tertentu.
Energi dalam suatu benda adalah total energi semua partikelnya. Memanaskan benda meningkatkan energi dalamnya dan biasanya juga suhunya.
Kalor jenis adalah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg material sebesar 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
Material dengan kalor jenis tinggi (seperti air) membutuhkan banyak energi untuk memanaskan dan mendinginnya lambat.
Contoh soal. Berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk memanaskan $2.0\ \text{kg}$ air dari $20\,{}^{\circ}\text{C}$ hingga $70\,{}^{\circ}\text{C}$? Kalor jenis air adalah $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
Menyusun ulang $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ menghasilkan $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, dengan $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
Mengukur kalor jenis. Untuk padatan, gunakan balok logam dengan dua lubang: satu untuk pemanas listrik dan satu untuk termometer. Ukur massa $m$ balok. Nyalakan pemanas selama waktu terukur $t$ dan catat arus listrik $I$ serta tegangan $V$, sehingga energi yang disuplai adalah $E = IVt$ (atau baca energi dari joulemeter). Catat kenaikan suhu $\Delta\theta$. Kemudian hitung $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Untuk cairan, panaskan massa terukur cairan dalam wadah dan aduk agar suhunya merata. Balut balok atau wadah dengan bahan isolasi, agar lebih sedikit energi bocor ke udara.
Mendidih: energi dalam meningkat seiring suhu; kalor jenis adalah energi per kg per °C
Peleburan dan mendidih memerlukan tenaga, tetapi suhu tetap sama semasa perubahan keadaan berlaku. Tenaga ini memecahkan daya antara zarah. Untuk air pada tekanan atmosfera biasa, peleburan berlaku pada $0\,{}^{\circ}\text{C}$ dan pendidihan pada $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Saat zat mencair dan saat mendidih suhunya tetap datar, meskipun energi masih ditambahkan
Penguapan adalah apabila cecair berubah kepada gas di permukaannya, di bawah titik didih. Zarah yang paling pantas keluar dari permukaan. Oleh kerana zarah yang paling pantas (paling bertenaga) meninggalkan cecair, tenaga purata bagi zarah yang tinggal berkurang, jadi cecair tersebut menjadi sejuk. Objek yang menyentuh cecair yang sedang menguap juga menjadi sejuk, kerana cecair itu mengambil tenaga daripadanya: inilah sebabnya peluh menyejukkan kulit anda.
Penguapan berlaku lebih cepat apabila suhu lebih tinggi, luas permukaan lebih besar, dan terdapat lebih banyak pergerakan udara di atas permukaan.
Jelajahi
Kurva pemanasan — perhatikan suhu berhenti seketika
Apabila bahan sedang melebur atau mendidih, suhu kekal rata walaupun haba masih masuk — tenaga memecahkan ikatan bukannya memanaskannya.
2.3
Pemindahan tenaga haba
Silabus
2.3.1 Konduksi
Inti
Tambahan
1 Terangkan eksperimen untuk menunjukkan sifat pengalir hab yang baik dan pengalir hab yang buruk (penebat hab)
2 Terangkan konduksi termal dalam semua padatan dari gegaran kisi atom atau molekul serta dari pergerakan elektron bebas (terdelokalisasi) dalam pengalir logam
3 Terangkan, dari segi zarah, mengapa konduksi termal adalah lemah dalam gas dan kebanyakan cecair
4 Tahu bahawa terdapat banyak padatan yang menghantar tenaga termal lebih baik daripada penebat hab tetapi kurang baik berbanding pengalir hab yang baik
2.3.2 Konveksyen
Inti
Tambahan
1 Tahu bahawa konveksyen merupakan kaedah penting pemindahan tenaga termal dalam cecair dan gas
2 Jelaskan konveksyen dalam cecair dan gas dari segi perubahan ketumpatan dan terangkan eksperimen untuk menggambarkan konveksyen
2.3.3 Radiasi
Inti
Tambahan
1 Tahu bahawa radiasi termal ialah radiasi inframerah dan semua objek memancarkan radiasi ini
2 Tahu bahawa pemindahan tenaga termal melalui radiasi termal tidak memerlukan medium
4 Tahu bahawa bagi sesuatu objek untuk berada pada suhu malar, ia perlu memindahkan tenaga keluar dari objek pada kadar yang sama dengan kadar penerimaan tenaganya
3 Terangkan kesan warna permukaan (hitam atau putih) dan tekstur (mat atau berkilat) terhadap pemancaran, penyerapan dan pantulan radiasi inframerah
5 Tahu apa yang berlaku kepada sesuatu objek jika kadar penerimaan tenaganya kurang atau lebih daripada kadar pemindahan tenaganya ke luar objek
6 Tahu bagaimana suhu Bumi dipengaruhi oleh faktor-faktor yang mengawal keseimbangan antara radiasi masuk dan radiasi yang dipancarkan dari permukaan Bumi
7 Terangkan eksperimen untuk membezakan antara pemancar radiasi inframerah yang baik dan yang buruk
8 Terangkan eksperimen untuk membezakan antara penyerap radiasi inframerah yang baik dan yang buruk
9 Terangkan bagaimana kadar pemancaran radiasi bergantung kepada suhu permukaan dan luas permukaan sesuatu objek
2.3.4 Kesan pemindahan tenaga termal
Inti
Tambahan
1 Jelaskan beberapa aplikasi dan kesan asas harian daripada konduksi, konveksyen dan radiasi, termasuk: (a) pemanasan objek seperti periuk dapur (b) memanaskan bilik melalui konveksyen
2 Jelaskan beberapa aplikasi dan kesan kompleks daripada konduksi, konveksyen dan radiasi di mana lebih daripada satu jenis pemindahan tenaga termal adalah signifikan, termasuk: (a) api membakar kayu atau arang batu (b) radiator dalam kereta
Sumber: Silabus Cambridge International
Tenaga haba bergerak dari tempat yang lebih panas ke tempat yang lebih sejuk melalui tiga cara.
Penghantaran
Penghantaran ialah pemindahan tenaga haba melalui suatu bahan tanpa bahan tersebut bergerak. Zarah dalam pepejal terletak dalam kisi-kisi. Zarah yang dipanaskan bergetar lebih kuat dan memindahkan tenaga kepada jiran mereka. Dalam logam, elektron bebas (elektron terdelokalisasi) membawa tenaga dengan cepat, jadi logam adalah penghantar haba yang baik.
Bahan yang menghantar haba dengan buruk (seperti udara, kayu dan plastik) adalah penebat haba.
Ujian penghantar. Pasang pin lukis dengan sedikit lilin pada salah satu hujung rod tembaga, besi, kaca dan kayu, kemudian panaskan hujungnya secara sama rata. Pin akan jatuh pertama kali dari rod tembaga, kemudian dari rod besi, dan terakhir (atau tidak pernah) dari kaca dan kayu: logam adalah penghantar terbaik. Rod logam yang dipegang dalam api akan terasa panas segera; rod kayu tidak.
Gas dan kebanyakan cecair adalah penghantar yang buruk kerana zarah-zarahnya berada jauh antara satu sama lain dan hanya memindahkan tenaga apabila mereka bertembus secara kebetulan. Tiada kisi-kisi dan tiada elektron bebas.
Dalam penghantaran, zarah yang bergetar memindahkan tenaga kepada jiran mereka, jadi tenaga mengalir dari hujung panas ke hujung sejuk
Penyejukan
Penyejukan berlaku dalam cecair dan gas. Apabila fluida dipanaskan, ia mengembang, menjadi kurang padat, dan naik. Fluida yang lebih sejuk dan lebih padat tenggelam untuk menggantikan tempatnya. Putaran fluida yang bergerak ini ialah arus penyejukan.
Fluida yang dipanaskan naik dan fluida yang sejuk turun, membentuk arus penyejukan
Memperlihatkan penyejukan. Jatuhkan kristal ungu kalium permanganat ke dalam gelas ukur berisi air dan panaskan gelas ukur dengan lembut di bawah kristal tersebut. Aliran berwarna naik di atas haba, merebak ke bahagian atas dan tenggelam di sisi-sisinya. Dalam udara, lilin yang dinyalaikan di bawah salah satu cerobong kotak asap menarik asap turun melalui cerobong lain dan naik di atas nyalaan api.
Penyejukan tidak boleh berlaku dalam pepejal kerana zarah-zarah tidak dapat bergerak dari satu tempat ke tempat lain.
Radiasi
Radiasi haba ialah tenaga yang dibawa oleh gelombang infra merah. Semua objek memancarkannya, dan ia tidak memerlukan bahan untuk merambat — ia boleh merentasi ruang kosong (ini adalah bagaimana tenaga sampai kepada kita dari Matahari).
Permukaan yang dull dan hitam adalah pemancar yang baik dan penyerap infra merah yang baik. Permukaan yang berkilat dan putih adalah pemancar yang lemah dan pemantul yang baik.
Permukaan dull hitam memancarkan (dan menyerap) infra merah jauh lebih baik daripada permukaan yang berkilat dan putih
Membandingkan permukaan. Isi dua tin, satu dull hitam dan satu berkilat perak, dengan air panas pada suhu yang sama, dan masukkan termometer ke dalamnya. Tin hitam menjadi sejuk lebih cepat, jadi ia adalah pemancar yang lebih baik. Kemudian letakkan kedua-dua tin yang sama, penuh dengan air sejuk, pada jarak yang sama dari pemanas. Tin hitam menjadi hangat lebih cepat, jadi ia adalah penyerap yang lebih baik. Kubus Leslie (kotak logam dengan satu sisi bagi setiap kemasan) menunjukkan perkara yang sama.
Kamera haba (infra merah) menukar infra merah yang dipancarkan oleh tangan yang hangat kepada imej; semakin terang bermakna semakin panas
Sebuah objek kekal pada suhu malar apabila ia memancarkan tenaga pada kadar yang sama dengan apa yang diserapnya. Kadar pemancaran adalah lebih tinggi apabila permukaan lebih panas dan lebih besar. Jika sebuah objek menyerap tenaga lebih cepat daripada yang dipancarkannya, suhunya meningkat; jika ia memancarkan tenaga lebih cepat daripada yang diserapnya, suhunya menurun.
Suhu Bumi. Bumi menyerap radiasi dari Matahari dan memancarkan radiasi infra merah kembali ke angkasa. Suhu puratanya kekal malar hanya apabila kedua-dua kadar ini adalah sama. Sebarang sesuatu yang mengubah keseimbangan ini akan mengubah suhu. Gas-gas dalam atmosfera seperti karbon dioksida menyerap sebahagian infra merah yang dipancarkan dan menghantarnya semula ke bawah, jadi lebih banyak gas ini memanaskan Bumi. Awan dan ais memantulkan cahaya matahari masuk, jadi kurang ais bermakna lebih banyak tenaga diserap, dan Bumi menjadi lebih panas.
Contoh sehari-hari
Periuk dapur mempunyai tapak logam yang menghantar tenaga dengan cepat kepada makanan, dan pemegang plastik atau kayu yang merupakan penebat, supaya anda boleh memegangnya.
Pemanas bilik memanaskan bilik melalui penyejukan: udara di sebelahnya menjadi hangat, naik, dan udara sejuk mengalir masuk untuk menggantikan tempatnya, jadi seluruh bilik menjadi hangat.
Duduk berhampiran api, anda merasakan radiasinya di muka serta-merta; udara di antara anda dan api adalah penghantar yang buruk.
Termos vakum menjaga minuman tetap panas dengan menghentikan ketiga perpindahan: vakum di antara dinding ganda menghambat konduksi dan konveksi, sedangkan permukaannya yang mengkilap perak menghambat radiasi.
Dalam model partikel kinetik, pemanasan gas membuat partikelnya bergerak lebih cepat dan menabrak dinding lebih keras serta lebih sering, sehingga tekanan meningkat. Partikel itu sendiri tidak membesar.
Penguapan hanya terjadi di permukaan dan pada suhu berapapun; pembentukan uap terjadi di seluruh cairan pada satu suhu tetap. Penguapan mendinginkan sisa cairan, karena partikel tercepat melarikan diri.
Selama peleburan dan pembentukan uap suhu tetap konstan meskipun energi terus disuplai — energi tersebut memecah gaya antar partikel.
Untuk kapasitas kalor spesifik gunakan $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, di mana $\Delta\theta$ adalah perubahan suhu, bukan suhu akhir.
Permukaan hitam kusam adalah pemancar dan penyerap inframerah terbaik; permukaan mengkilap dan terang adalah pemantul terbaik. Konveksi membutuhkan fluida untuk mengalir, sehingga tidak dapat terjadi dalam zat padat.
Pelajaran interaktif untuk topik ini
Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.
