Cara Menghitung Kalor yang Diperoleh Kalorimeter

Pada titik tertentu dalam hidup Anda, Anda mungkin bertanya-tanya apa kalori adalah setelah melihat label informasi nutrisi untuk makanan tertentu. Selain sesuatu yang banyak orang suka melihat angka yang lebih rendah terkait dengan ketika mereka memindai label seperti itu, apa itu kalori?

Dan bagaimana "kalori" menambah massa pada sistem kehidupan, jika memang ini yang terjadi? Dan bagaimana Anda bisa yakin jumlah kalori yang tercantum untuk item tertentu — apakah nilai ini meyakinkan atau menekan — telah ditentukan secara akurat?

Panas adalah salah satu dari banyak properti dunia ambien yang mungkin dapat Anda gambarkan dengan baik dalam beberapa kata pilihan Anda sendiri, tetapi memiliki makna yang lebih terfokus dalam ilmu fisika. Kalori adalah ukuran panas, seperti joule (J) dan satuan termal Inggris (btu). Studi tentang pertukaran panas adalah cabang dari ilmu fisika yang dikenal sebagai kalorimetri, yang pada gilirannya bergantung pada perangkat yang disebut kalorimeter.

Secara intuitif, Anda mungkin merasa aneh bahwa makanan dingin atau beku seperti es krim dan kue keju dapat mengemas banyak makanan yang seharusnya panas ke dalam porsi kecil. Juga, jika kalori entah bagaimana diterjemahkan menjadi panas, bukankah makanan yang memasok lebih banyak sebenarnya menyebabkan berat badan?

Ini adalah pertanyaan bagus, dan setelah Anda "membakar" seluruh artikel ini, Anda akan memiliki jawaban ini dan lebih banyak lagi untuk dibawa ke lab kalorimetri atau diskusi nutrisi olahraga Anda berikutnya.

Panas dapat dianggap terutama sebagai energi termal. Seperti bentuk energi lainnya, ia memiliki satuan joule (atau setara dalam satuan non-SI). Panas adalah kuantitas yang sulit dipahami karena sulit diukur secara langsung. Sebagai gantinya, perubahan suhu di bawah kondisi eksperimental terkontrol dapat digunakan untuk menentukan apakah suatu sistem telah memperoleh atau kehilangan panas.

Fakta bahwa panas diperlakukan sebagai energi berarti bahwa melacaknya adalah latihan yang mudah secara matematis, bahkan jika eksperimen terkadang membuat sulit untuk menetapkan kondisi di mana tidak ada energi panas yang lolos dan menghindari pengukuran. Tetapi karena kenyataan mendasar seperti hukum kekekalan energi, tabulasi panas pada prinsipnya cukup sederhana.

Bahan memiliki tingkat ketahanan yang berbeda terhadap perubahan suhu ketika sejumlah panas tertentu ditambahkan ke jumlah yang tetap dari zat itu. Artinya, jika Anda mengambil 1 kilogram zat A dan 1 kilogram zat B dan menambahkan jumlah panas yang sama untuk masing-masing, tanpa ada panas yang diizinkan untuk pergi. sistem, suhu A mungkin meningkat hanya seperlima dari suhu zat B.

Ini berarti bahwa zat A memiliki panas spesifik lima kali lipat dari zat A, sebuah konsep yang akan dieksplorasi secara rinci di bawah ini.

"Kalori" yang tercantum pada label nutrisi sebenarnya adalah kilokalori, atau kkal. Jadi pada kenyataannya, sekaleng soda manis memiliki sekitar 120.000 kalori, yang dinyatakan dalam konvensi sebagai kalori dalam komunikasi sehari-hari.

• Kalori adalah kata Latin untuk, cukup tepat, panas.

Kalori tersebut setara dengan sekitar 4,184 J, artinya kkal yang diperlakukan sebagai kalori pada label makanan sama dengan 4.184 J atau 4,184 kJ. Laju pengeluaran energi (joule per detik) dalam ilmu fisika disebut daya, dan satuan SI adalah watt (W), sama dengan 1 J/s. Oleh karena itu, satu kkal adalah jumlah energi yang cukup untuk memberi daya pada sistem dengan kecepatan 0,35 hingga 0,4 kW (350 J/s) selama sekitar 12 detik:

P = E/t, jadi t = E/P = 4,186 kJ/(0,35 kJ/s) = 12,0.

• Seorang atlet ketahanan terlatih seperti pengendara sepeda atau pelari mampu mempertahankan output daya seperti itu dalam waktu yang lama. Secara teori, minuman energi 100 "kalori" (100 kkal) dapat membuat pengendara sepeda jalan raya Olimpiade atau pelari maraton terus berlari selama sekitar 100 kali 12 detik, atau 20 menit. Karena sistem manusia hampir tidak 100 persen efisien secara mekanis, sebenarnya membutuhkan lebih dari 300 kkal untuk beroperasi pada kapasitas aerobik penuh selama ini.
  

Itu kalori didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air sebesar 1 derajat Celcius. Satu masalah dengan ini adalah bahwa ada sedikit variasi dari c air dengan suhu di kisaran suhu di mana H₂O adalah cairan. Kata "spesifik" dalam "panas spesifik" tidak hanya mengacu pada bahan tertentu tetapi juga pada suhu tertentu.

• Kalor jenis sebagian besar bahan diberikan pada 20

  °C atau 25 °C.

Secara teknis, istilah "kapasitas panas" dan "kapasitas panas spesifik" memiliki arti yang berbeda, meskipun Anda mungkin melihatnya digunakan secara bergantian di sumber yang tidak terlalu ketat.

Kapasitas panas, ketika awalnya diciptakan, hanya mengacu pada jumlah panas yang dibutuhkan untuk menghangatkan seluruh benda (yang mungkin terbuat dari beberapa bahan) dengan jumlah tertentu. Kapasitas panas spesifik mengacu pada jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram dari bahan tertentu sebesar 1 derajat Celcius atau Kelvin (°C atau K).

• Sementara skala suhu Celcius dan Kelvin tidak sama, mereka berbeda dalam jumlah yang tetap, karena °C + 273 = K di mana K tidak boleh negatif. Ini berarti bahwa perubahan numerik tertentu dalam suhu dalam satu skala menghasilkan besaran yang sama dari perubahan yang lain, tidak seperti kasus interkonversi Fahrenheit-Celcius.

Daripada mempersingkat "kapasitas panas spesifik" menjadi "kapasitas panas", gunakan istilah instead panas spesifik, seperti konvensi di sumber-sumber terkemuka.

Tujuan dari sebuah kalorimeter adalah untuk menangkap panas yang dilepaskan dalam beberapa proses, seperti reaksi kimia eksotermik, yang jika tidak akan hilang ke lingkungan. Ketika perubahan suhu sistem dan massa dan panas spesifik dari rakitan kalorimeter diketahui, jumlah panas yang dimasukkan ke dalam sistem oleh proses dapat ditentukan. Contoh disediakan di bagian berikutnya.

Kalorimeter dapat dibuat dari sejumlah bahan yang berbeda, dengan syarat bahan tersebut bersifat isolasi (yaitu, tidak memungkinkan perpindahan panas; istilah ini juga digunakan dalam elektromagnetisme untuk merujuk pada resistensi terhadap transfer muatan listrik).

Satu versi umum dapat dibuat dari cangkir styrofoam dan penutup yang pas. Dalam kalorimeter cangkir kopi ini, air biasanya digunakan sebagai pelarut, dan termometer dan (jika diperlukan) tongkat pengaduk dipasang dengan pas melalui lubang-lubang kecil di tutup cangkir.

Perubahan panas sistem tertutup (positif menurut definisi dalam kasus kalorimeter) diberikan oleh: produk dari massa sistem, kapasitas panas kalorimeter dan perubahan suhu dari sistem:

Dimana:

• Q = kalor yang dikeluarkan (sama dengan kalor yang diserap kalor yang dilepaskan) dalam joule (J)
• m = massa dalam kilogram (kg)
• c = kapasitas panas spesifik dalam J/kg⋅°C (atau J/kg⋅K)
• T = perubahan suhu dalam °C (atau K)

Panas yang dibebaskan dari reaksi kimia eksotermik (pelepas panas) apa pun yang terjadi di kalorimeter biasanya akan menyebar ke lingkungan. Ini adalah kerugian yang dikaitkan dengan perubahan besaran termodinamika yang dikenal sebagai entalpi yang menggambarkan energi internal sistem dan perubahan dalam hubungan tekanan-volume sistem. Panas ini malah terperangkap di antara pelarut dan tutup cangkir.
Sebelumnya, gagasan tentang kekekalan energi telah diperkenalkan. Karena kalor yang masuk ke kalorimeter harus sama dengan kalor yang dibebaskan oleh sistem di dalam kalorimeter yang terdiri dari reaktan dan produk itu sendiri, tanda perubahan panas untuk sistem ini adalah negatif dan memiliki besar yang sama dengan panas yang diperoleh oleh kalorimeter.

Pernyataan di atas dan terkait mengasumsikan bahwa hanya tidak ada panas atau jumlah panas yang dapat diabaikan yang keluar dari kalorimeter. Panas berpindah dari area yang lebih hangat ke area yang lebih dingin ketika insulasi tidak ada, jadi tanpa insulasi yang tepat, panas akan meninggalkan perakitan kalorimeter untuk lingkungan sekitar kecuali suhu lingkungan lebih hangat daripada suhu kalorimeter.

Bagan berikut mencakup kalor jenis dalam J/kg⋅°C dari beberapa unsur dan senyawa yang umum ditemui.

• H₂O, es: 2.108
• H₂O, air: 4.184
• H₂O, uap air: 2.062
• Metanol: 2.531
• Etanol: 2,438
• Benzena: 1,745
• Karbon, grafit: 0,709
• Karbon, berlian: 0,509
• Aluminium: 0,897
• Besi: 0,449
• Tembaga: 0,385
• Emas: 0,129

• Merkuri: 0,140

• Garam meja (NaCl): 0,864

• Kuarsa: 0,742
• Kalsit: 0,915

Perhatikan bahwa air memiliki kapasitas panas yang luar biasa besar. Mungkin berlawanan dengan intuisi bahwa satu gram air akan memanas kurang dari sepersepuluh sebanyak satu gram air dengan jumlah panas tambahan yang sama, tetapi ini penting untuk kehidupan di sekitar planet ini.

Air membentuk sekitar tiga perempat dari tubuh Anda, membuat Anda mampu mentolerir perubahan besar dalam suhu lingkungan. Lebih luas lagi, lautan bertindak sebagai reservoir panas untuk membantu menstabilkan suhu di seluruh dunia.

Sekarang Anda siap untuk beberapa perhitungan yang melibatkan kalorimeter.
Contoh 1: Pertama, ambil kasus sederhana dari satu gram natrium hidroksida (NaOH) yang dilarutkan dalam 50 mL air pada 25 °C. Ambil kapasitas panas air pada suhu ini menjadi 4,184 J/kg⋅°C dan pertimbangkan 50 mL air memiliki massa 50 gram, atau 0,05 kg. Jika suhu larutan meningkat menjadi 30,32 °C, berapa banyak panas yang diperoleh kalorimeter?

Anda memiliki Q = mc∆T = (0,05 kg)(4.184 kJ/kg⋅°C)(30.32 5.32 °C)

= 1.113 kJ atau 1.113 J.

Contoh 2: Sekarang pertimbangkan kasus unit penyimpanan energi surya rumah, perangkat menjadi lebih populer dari waktu ke waktu. Asumsikan perangkat ini menggunakan 400 L air untuk menyimpan energi panas.
Pada hari musim panas yang cerah, suhu awal air adalah 23,0 °C. Sepanjang hari, suhu air naik menjadi 39,0 °C saat bersirkulasi melalui "dinding air" unit. Berapa banyak energi yang tersimpan di dalam air?

Sekali lagi, asumsikan massa air adalah 400 kg, yaitu, bahwa kerapatan air dapat dianggap tepat 1,0 dalam kisaran suhu ini (ini adalah penyederhanaan).

Persamaan bunga kali ini adalah:

Q = mc∆T = (400 kg)(4.184 kJ/kg⋅°C)(39 °C 23 °C)

= 26.778 J = 26,78 kJ.

Ini adalah energi yang cukup untuk menyalakan pemanas ruang 1,5 kW selama sekitar 17 detik:

(26,78 kJ)(kW/(kJ/s)/(1,5 kW) = 17,85 s

Kemungkinan besar, pemilik rumah memiliki rencana penggunaan yang berbeda jika mereka tinggal di rumah surya.

Anda dapat menggunakan kalkulator online yang memungkinkan Anda mengonversi dengan mudah antara satuan panas spesifik, termasuk satuan yang tidak biasa tetapi tidak sepenuhnya punah seperti Btu/lb_saya^HaiF