Anda mungkin akrab dengan termometer dan mengukur suhu, merasakan panas dan dingin, dan apa yang diperlukan untuk merebus air. Sekarang saatnya untuk memperluas pemahaman intuitif Anda tentang panas dan suhu dan mempelajari bagaimana fisikawan melakukannya.
Dalam pengantar fisika termal ini, Anda akan mempelajari apa itu panas dan suhu serta fenomena apa yang diterapkan cabang fisika ini.
Studi Panas dan Suhu
Fisika termal adalah studi tentang panas dan suhu. Kalor didefinisikan sebagai energi yang berpindah antara dua benda yang berbeda suhu – berpindah dari benda yang lebih hangat ke benda yang lebih dingin.
Panas merupakan salah satu jenis energi panas. Energi panas adalah energi yang terkait dengan gerakan molekul dalam suatu benda. Di dalam objek apa pun, molekul tidak hanya diam; meskipun Anda tidak dapat melihat gerakannya secara kasat mata, mereka semua bergoyang-goyang dan memantul satu sama lain.
Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata per molekul. Anda mungkin akrab dengan mengukurnya dalam derajat Fahrenheit atau bahkan Celcius, tetapi satuan SI yang lebih disukai para ilmuwan adalah Kelvin.
Jumlah seluruhnya energi dalam suatu benda bergantung pada massa, suhu, dan kapasitas panas spesifik. Kapasitas panas spesifik adalah ukuran berapa banyak energi panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu satuan massa sebesar 1 derajat. Bahan yang berbeda memiliki kapasitas panas spesifik yang berbeda, dan kapasitas panas dari bahan tertentu biasanya dapat dilihat dalam tabel.
Perpindahan Panas
Panas dapat berpindah dari satu benda ke benda lain melalui tiga cara utama. Ini adalah:
- Konduksi
- Konveksi
- Radiasi
Dalam konduksi, kedua benda berada dalam kontak fisik, dan energi panas berpindah dari benda yang lebih hangat ke benda yang lebih dingin melalui tumbukan langsung antara molekul dalam benda.
Dalam konveksi, panas ditransfer oleh arus konveksi. Ini terjadi ketika Anda merebus air di atas kompor. Air di bagian bawah panci menghangat terlebih dahulu, dan saat memanas, ia mengembang, menjadi kurang padat. Karena kurang padat, ia naik ke atas panci saat air yang lebih dingin tenggelam dan kemudian memanas.
Dalam radiasi, energi panas ditransfer melalui radiasi elektromagnetik. Ini adalah bagaimana Anda mendapatkan energi dari matahari. Energi itu bergerak melalui ruang hampa udara sebagai radiasi, yang kemudian menghangatkan Bumi saat mencapai kita.
Perubahan Fase
Sebagai energi panas ditambahkan ke bahan, mereka meningkatkan suhu. Pada titik-titik tertentu, disebut transisi fase, bahan berubah fase. Bahan dapat berubah dari padat menjadi cair dan dari cair menjadi gas, dan bahkan dari gas menjadi plasma.
Suhu di mana perubahan fasa terjadi tergantung pada bahan itu sendiri dan kondisi tekanan. Ini dipelajari dengan menggunakan diagram fase.
Jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengubah fase suatu material tergantung pada panas laten material itu. Panas laten peleburan suatu bahan adalah jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk mengubah satu satuan massa zat tersebut dari padat menjadi cair. Panas laten penguapan suatu bahan adalah jumlah energi panas yang diperlukan untuk mengubahnya dari cair menjadi gas.
Termodinamika
Fisika termal akhirnya mengarah pada studi termodinamika, yang merupakan cabang fisika yang mempelajari perubahan sistem termal dengan menggunakan teori kinetik dan mekanika statistik.
Ada tiga hukum termodinamika yang mengatur proses termodinamika. Ini disebut, secara sederhana, hukum pertama termodinamika, hukum kedua termodinamika dan hukum ketiga termodinamika. Ketika Anda pertama kali mempelajari tentang hukum-hukum ini, Anda biasanya akan mempelajari bagaimana hukum tersebut berlaku untuk gas ideal dan memanfaatkan hukum gas ideal.
Termodinamika dapat membantu Anda memahami cara kerja mesin uap, lemari es, pompa kalor, dan benda serupa lainnya.