Model partikel materi
Segala sesuatu terdiri dari partikel. Energi, jarak antarpartikel, dan geraknya menjelaskan wujud zat, pemanasan dan pendinginan, serta mengapa jembatan memerlukan celah. Topik keempat OxfordAQA membangun model ini dan menguantifikasinya: kapasitas kalor spesifik, (P) kalor laten, penguapan, desain perpindahan energi, dan pemuaian termal.
OxfordAQA International GCSE Fisika 9203, topik 3.4 (Versi 5.1). Pernyataan yang ditandai (P) hanya untuk Kertas-2-saja.
Teori kinetik
Kapasitas kalor spesifik c adalah energi untuk menaikkan 1 kg suatu zat sebesar 1 °C:
Contoh terpecahkan. Memanaskan 1.5 kg air ($c = 4200$) sebesar 40 °C: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ J.
(P) Mengubah wujud membutuhkan energi dengan tidak ada perubahan suhu: kalor laten penguapan $E = m \times L_V$ (cair → uap) dan kalor laten lebur $E = m \times L_F$ (padat → cair). Impurities mengubah titik lebur dan titik didih. Praktikum wajib (P): kurva pendinginan asam stearat.
Perpindahan energi dan gerak partikel
Konduksi merambatkan energi sepanjang padat melalui getaran partikel, dibantu oleh elektron bebas dalam logam; isolator tidak memiliki keduanya. Konveksi mengedarkan fluida: partikel mendapatkan energi, menjauh satu sama lain, fluida menjadi kurang padat dan naik, fluida dingin tenggelam. Penguapan mengubah molekul permukaan berkecepatan tinggi menjadi uap, mendinginkan yang tersisa — lebih cepat dengan suhu lebih tinggi, luas permukaan lebih besar, angin sepoi-sepoi, dan kelembapan lebih rendah; kondensasi membalikkannya.
Laju perpindahan energi oleh pemanasan meningkat seiring luas permukaan dan volume, material, permukaan yang bersentuhan, dan perbedaan suhu. Desain mengikuti: sirip pendingin memaksimalkan area; ukuran telinga relatif hewan sesuai dengan iklim. Sebagian besar zat memuai saat dipanaskan — bahaya untuk atap dan jembatan (celah dan rol), berguna dalam termostat strip bimetalik yang bengkok karena satu logam memuai lebih banyak dan memutus rangkaian listrik.
Periksa diri Anda
- Jelaskan susunan partikel dalam cairan.
- Definisikan kapasitas kalor spesifik.
- Hitung energi untuk memanaskan 2 kg aluminium (c = 900) sebesar 30 °C.
- (P) Mengapa suhu tetap konstan saat suatu zat membeku?
- (P) 0.5 kg suatu zat memiliki L_F = 330 000 J/kg. Hitung energi untuk mencairkannya.
- Jelaskan konduksi dalam logam, sebutkan pembawa tambahan.
- Jelaskan mengapa air hangat naik.
- Sebutkan tiga faktor yang mempercepat penguapan.
- Sebutkan satu bahaya dan satu kegunaan pemuaian termal.
- Mengapa sirip pendingin memiliki luas permukaan yang besar?
Jawaban: 1 partikel saling bersentuhan tetapi tersusun secara acak, bergerak melewati satu sama lain; 2 energi yang diperlukan untuk mengubah suhu 1 kg zat sebesar 1 °C; 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ J; 4 (P) energi yang dilepaskan saat ikatan terbentuk (kalor lebur) keluar pada laju yang sama dengan laju pelepasan panas, sehingga energi kinetik partikel tidak berubah; 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ J; 6 partikel bergetar meneruskan energi ke tetangga, dan elektron bebas membawa energi dengan cepat melalui logam; 7 partikel yang lebih hangat bergerak menjauh, membuat air tersebut kurang padat daripada lingkungan sekitarnya, sehingga ia naik; 8 suhu lebih tinggi, luas permukaan lebih besar, aliran udara di atas permukaan (juga kelembaban lebih rendah); 9 bahaya — pemuaian jembatan/atap memerlukan celah; kegunaan — pelengkungan strip bimetalik dalam termostat; 10 area yang lebih besar mentransfer energi ke lingkungan lebih cepat melalui pemanasan.