Kalor (Fisika): Pengertian, Rumus & Contoh

Semua orang akrab dengan konsep terlalu panas atau terlalu dingin atau merasakan panas dari matahari pada hari yang hangat, tetapi apa arti khusus dari kata "panas"? Apakah itu properti dari sesuatu yang "panas?" Apakah sama dengan suhu? Ternyata kalor adalah besaran terukur yang telah didefinisikan secara tepat oleh fisikawan.

Panas adalah apa yang oleh para ilmuwan disebut sebagai bentuk energi yang ditransfer antara dua bahan yang berbeda suhu. Perpindahan energi ini terjadi karena perbedaan energi kinetik translasi rata-rata per molekul dalam dua bahan. Kalor mengalir dari bahan yang suhunya lebih tinggi ke bahan yang suhunya lebih rendah sampai tercapai kesetimbangan termal. Satuan SI untuk kalor adalah joule, di mana 1 joule = 1 newton × meter.

Untuk memahami lebih baik apa yang terjadi ketika transfer energi ini terjadi, bayangkan skenario berikut: Dua wadah berbeda diisi dengan bola karet kecil yang memantul ke sekeliling. Di salah satu wadah, kecepatan rata-rata bola (dan karenanya energi kinetik rata-ratanya) jauh lebih besar daripada kecepatan rata-rata bola di wadah kedua. wadah (meskipun kecepatan bola individu dapat berupa apa saja pada setiap titik waktu karena begitu banyak tumbukan menyebabkan transfer energi terus-menerus antara bola.)

Jika Anda menempatkan wadah-wadah ini sehingga sisi-sisinya bersentuhan, lalu melepaskan dinding yang memisahkan isinya, apa yang Anda harapkan terjadi?

Bola dari wadah pertama akan mulai berinteraksi dengan bola dari wadah kedua. Semakin banyak tumbukan antara bola terjadi, secara bertahap kecepatan rata-rata bola dari kedua wadah menjadi sama. Sebagian energi dari bola-bola dari wadah pertama dipindahkan ke bola-bola di wadah kedua sampai keseimbangan baru ini tercapai.

Ini pada dasarnya adalah apa yang terjadi pada tingkat mikroskopis ketika dua benda dengan suhu berbeda bersentuhan satu sama lain. Energi dari benda yang bersuhu lebih tinggi ditransfer dalam bentuk panas ke benda yang bersuhu lebih rendah.

Suhu adalah ukuran energi kinetik translasi rata-rata per molekul dalam suatu zat. Dalam analogi bola dalam wadah, ini adalah ukuran energi kinetik rata-rata per bola dalam wadah tertentu. Pada tingkat molekuler, atom dan molekul semuanya bergetar dan bergoyang. Anda tidak dapat melihat gerakan ini karena terjadi dalam skala kecil.

Skala suhu umum adalah Fahrenheit, Celsius dan Kelvin, dengan Kelvin menjadi standar ilmiah. Skala Fahrenheit paling umum di Amerika Serikat. Pada skala ini, air membeku pada 32 derajat dan mendidih pada 212 derajat. Pada skala Celcius, yang umum di sebagian besar tempat lain di dunia, air membeku pada 0 derajat dan mendidih pada 100 derajat.

Namun, standar ilmiahnya adalah skala Kelvin. Sedangkan besaran kenaikan pada skala Kelvin sama dengan besaran derajat pada skala Celcius, nilai 0-nya ditetapkan pada tempat yang berbeda. 0 Kelvin sama dengan -273,15 derajat Celcius.

Mengapa pilihan yang aneh untuk 0? Ternyata ini bukan pilihan yang aneh daripada nilai nol skala Celsius. 0 Kelvin adalah suhu di mana semua gerakan molekul berhenti. Ini adalah suhu terdingin mutlak yang mungkin secara teoritis.

Dalam hal ini, skala Kelvin jauh lebih masuk akal daripada skala Celsius. Pikirkan tentang bagaimana jarak diukur, misalnya. Akan aneh untuk membuat skala jarak di mana nilai 0 setara dengan tanda 1 m. Pada skala seperti itu, apa artinya sesuatu menjadi dua kali panjang sesuatu yang lain?

Energi internal total suatu zat adalah total energi kinetik semua molekulnya. Itu tergantung pada suhu zat (energi kinetik rata-rata per molekul) dan jumlah total zat (jumlah molekul).

Mungkin saja dua benda memiliki energi internal total yang sama sementara memiliki suhu yang sama sekali berbeda. Misalnya, benda yang lebih dingin akan memiliki energi kinetik rata-rata per molekul yang lebih rendah, tetapi jika jumlah molekul besar, maka masih bisa berakhir dengan energi internal total yang sama dari objek yang lebih hangat dengan lebih sedikit molekul.

Hasil yang mengejutkan dari hubungan antara energi internal total dan suhu ini adalah kenyataan bahwa besar balok es dapat menghasilkan lebih banyak energi daripada kepala korek api yang menyala, meskipun kepala korek api sangat panas sehingga menyala api!

Ada tiga metode utama dimana energi panas berpindah dari satu benda ke benda lainnya. Mereka adalah konduksi, konveksi dan radiasi.

​Konduksiterjadi ketika transfer energi langsung antara dua bahan dalam kontak termal satu sama lain. Ini adalah jenis transfer yang terjadi dalam analogi bola karet yang dijelaskan sebelumnya dalam artikel ini. Ketika dua benda berada dalam kontak langsung, energi ditransfer melalui tumbukan antara molekul mereka. Energi ini perlahan-lahan berpindah dari titik kontak ke seluruh benda yang awalnya lebih dingin sampai keseimbangan termal tercapai.

Namun, tidak semua benda atau zat menghantarkan energi dengan cara ini dengan sama baiknya. Beberapa bahan, yang disebut konduktor termal yang baik, dapat mentransfer energi panas lebih mudah daripada bahan lain, yang disebut isolator termal yang baik.

Anda mungkin memiliki pengalaman dengan konduktor dan isolator seperti itu dalam kehidupan sehari-hari Anda. Pada pagi musim dingin yang dingin, bagaimana menginjak tanpa alas kaki di lantai ubin dibandingkan dengan menginjak tanpa alas kaki di atas karpet? Sepertinya karpet entah bagaimana lebih hangat, namun ini tidak terjadi. Kedua lantai kemungkinan memiliki suhu yang sama, tetapi ubin adalah konduktor termal yang jauh lebih baik. Karena itu, hal itu menyebabkan energi panas meninggalkan tubuh Anda jauh lebih cepat.

​Konveksiadalah suatu bentuk perpindahan panas yang terjadi pada gas atau fluida. Gas, dan pada tingkat lebih rendah, cairan, mengalami perubahan kerapatannya dengan suhu. Biasanya semakin hangat mereka, semakin sedikit kepadatannya. Karena itu, dan karena molekul dalam gas dan cairan bebas bergerak, jika bagian bawah menjadi hangat, ia akan mengembang dan naik ke atas karena densitasnya yang lebih rendah.

Jika Anda meletakkan panci berisi air di atas kompor, misalnya, air di bagian bawah panci menghangat, mengembang, dan naik ke atas saat air yang lebih dingin tenggelam. Air yang lebih dingin kemudian memanas, mengembang, dan naik dan seterusnya, menciptakan arus konveksi yang menyebabkan energi panas menyebar melalui sistem melalui pencampuran. molekul dalam sistem (sebagai lawan dari semua molekul yang tinggal di tempat yang kira-kira sama saat mereka bergoyang maju mundur, memantul ke masing-masing lain.)

Konveksi adalah mengapa pemanas bekerja paling baik untuk menghangatkan rumah jika ditempatkan di dekat lantai. Pemanas yang ditempatkan di dekat langit-langit akan menghangatkan udara di dekat langit-langit, tetapi udara itu akan tetap ada.

Bentuk ketiga dari perpindahan panas adalahradiasi. Radiasi adalah perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik. Benda yang hangat dapat mengeluarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Beginilah cara energi panas dari matahari mencapai Bumi, misalnya. Begitu radiasi itu bersentuhan dengan benda lain, atom-atom dalam benda itu dapat memperoleh energi dengan menyerapnya.

Dua bahan berbeda dengan massa yang sama akan mengalami perubahan suhu yang berbeda meskipun energi total yang ditambahkan sama karena perbedaan besaran yang disebutkapasitas panas spesifik. Kapasitas panas spesifik tergantung pada bahan yang bersangkutan. Anda biasanya akan mencari nilai kapasitas panas spesifik material dalam sebuah tabel.

Secara lebih formal, kapasitas panas spesifik didefinisikan sebagai jumlah energi panas yang harus ditambahkan per satuan massa untuk menaikkan suhu sebesar satu derajat Celcius. Satuan SI untuk kapasitas panas spesifik, biasanya dilambangkan denganc, adalah J/kgK.

Pikirkan seperti ini: Misalkan Anda memiliki dua zat berbeda yang beratnya persis sama dan pada suhu yang persis sama. Zat pertama memiliki kapasitas panas spesifik yang tinggi, dan zat kedua memiliki kapasitas panas spesifik yang rendah. Sekarang anggaplah Anda menambahkan jumlah energi panas yang persis sama ke keduanya. Zat pertama – zat yang memiliki kapasitas panas lebih tinggi – tidak akan naik suhunya sebanyak zat kedua.

Ada banyak faktor yang mempengaruhi bagaimana suhu suatu zat akan berubah ketika sejumlah energi panas dipindahkan ke zat tersebut. Faktor-faktor ini termasuk massa bahan (massa yang lebih kecil akan mengalami perubahan suhu yang lebih besar untuk sejumlah panas yang ditambahkan) dan kapasitas panas spesifik.c​.

Jika ada sumber panas yang memasok dayaP, maka panas total yang ditambahkan bergantung padaPdan waktuuntuk. Artinya, energi panasQakan samaP​ × ​untuk​.

Laju perubahan suhu adalah faktor lain yang menarik untuk dipertimbangkan. Apakah benda mengubah suhunya dengan laju konstan? Ternyata laju perubahan tergantung pada perbedaan suhu antara benda dan lingkungannya. Hukum pendinginan Newton menjelaskan perubahan ini. Semakin dekat suatu benda dengan suhu sekitarnya, semakin lambat ia mendekati kesetimbangan.

Rumus yang menghubungkan perubahan suhu dengan massa suatu benda, kapasitas panas spesifik dan energi panas yang ditambahkan atau dihilangkan adalah sebagai berikut:

Rumus ini hanya berlaku jika zat tersebut tidak mengalami perubahan fasa. Ketika suatu zat berubah dari padat menjadi cair atau berubah dari cair menjadi gas, kalor yang ditambahkan padanya adalah... digunakan menyebabkan perubahan fase ini dan tidak akan menghasilkan perubahan suhu sampai perubahan fase adalah lengkap.

Besaran yang disebut panas peleburan laten, dilambangkanL_f, menjelaskan berapa banyak energi panas per satuan massa yang diperlukan untuk mengubah zat dari padat menjadi cair. Sama seperti kapasitas panas spesifik, nilainya tergantung pada sifat fisik bahan yang bersangkutan dan sering terlihat dalam tabel. Persamaan yang menghubungkan energi panasQdengan massa suatu bahansayadan panas laten peleburan adalah:

Hal yang sama terjadi ketika berubah dari cair ke gas. Dalam situasi seperti itu, kuantitas yang disebut panas laten penguapan, dilambangkanL_v, menjelaskan berapa banyak energi per satuan massa yang harus ditambahkan untuk menyebabkan perubahan fasa. Persamaan yang dihasilkan identik kecuali untuk subscript:

Energi dalamEadalah total energi kinetik internal, atau energi panas, dalam suatu material. Dengan asumsi gas ideal di mana energi potensial antara molekul diabaikan, itu diberikan oleh rumus:

dimanatidakadalah jumlah mol,Tadalah suhu dalam Kelvin dan konstanta gas universalR= 8,3145 J/molK. Energi internal menjadi 0 J pada 0 K mutlak.

Dalam termodinamika, hubungan antara perubahan energi dalam, perpindahan panas, dan kerja yang dilakukan pada atau oleh suatu sistem dihubungkan melalui:

Hubungan ini dikenal sebagai hukum pertama termodinamika. Pada dasarnya itu adalah pernyataan kekekalan energi.