Anda mungkin sudah memiliki perasaan intuitif bahwa suhu adalah ukuran "dingin" atau "panas" suatu objek. Banyak orang terobsesi dengan memeriksa ramalan cuaca sehingga mereka tahu berapa suhu hari itu. Tapi apa sebenarnya arti suhu dalam fisika?
Definisi Suhu
Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat. Ini berbeda dari panas, meskipun kedua kuantitas itu terkait erat. Kalor adalah energi yang dipindahkan antara dua benda pada suhu yang berbeda.
Zat fisik apa pun yang mungkin Anda kaitkan dengan sifat suhu terbuat dari atom dan molekul. Atom-atom dan molekul-molekul itu tidak tinggal diam, bahkan dalam padatan. Mereka terus-menerus bergerak dan bergoyang-goyang, tetapi gerakan itu terjadi dalam skala kecil, sehingga Anda tidak dapat melihatnya.
Seperti yang mungkin Anda ingat dari studi mekanika Anda, benda yang bergerak memiliki bentuk energi yang disebutenergi kinetikyang terkait dengan massa mereka dan seberapa cepat mereka bergerak. Jadi ketika suhu digambarkan sebagai energi kinetik rata-rata per molekul, itu adalah energi yang terkait dengan gerakan molekul yang sedang dijelaskan.
Timbangan Suhu
Ada banyak skala berbeda yang dapat digunakan untuk mengukur suhu, tetapi yang paling umum adalah Fahrenheit, Celsius, dan Kelvin.
Skala Fahrenheit adalah yang paling dikenal oleh mereka yang tinggal di Amerika Serikat dan beberapa negara lain. Pada skala ini air membeku pada 32 derajat Fahrenheit, dan suhu air mendidih adalah 212 F.
Skala Celsius (kadang-kadang juga disebut sebagai celcius) digunakan di sebagian besar negara lain di seluruh dunia. Pada skala ini titik beku air pada 0 C dan titik didih air pada 100 C.
Skala Kelvin, dinamai Lord Kelvin, adalah standar ilmiah. Nol pada skala ini berada pada nol mutlak, di mana semua gerakan molekul berhenti. Ini dianggap sebagai skala suhu absolut.
Mengonversi Antara Skala Suhu
Untuk mengkonversi dari Celcius ke Fahrenheit, gunakan hubungan berikut:
T_F = \frac{9}{5}T_C + 32
DimanaTF adalah suhu dalam Fahrenheit, danTCadalah suhu dalam Celcius. Misalnya, 20 derajat Celcius setara dengan:
T_F = \frac{9}{5}20 + 32 = 68\text{ derajat Fahrenheit.}
Untuk mengonversi ke arah lain, dari Fahrenheit ke Celcius, gunakan yang berikut ini:
T_C = \frac{5}{9}(T_F - 32)
Untuk mengonversi dari Celcius ke Kelvin, rumusnya bahkan lebih sederhana karena ukuran kenaikannya sama, dan hanya memiliki nilai awal yang berbeda:
T_K=T_C+273.15
Tips
Dalam banyak ekspresi dalam termodinamika, besaran yang penting adalahT(perubahan suhu) sebagai lawan dari suhu mutlak itu sendiri. Karena derajat Celcius sama besarnya dengan kenaikan pada skala Kelvin,TK = TC, artinya unit-unit ini dapat digunakan secara bergantian dalam kasus tersebut. Namun, kapan pun suhu mutlak diperlukan, itu harus dalam Kelvin.
Perpindahan panas
Ketika dua benda pada suhu yang berbeda bersentuhan satu sama lain, perpindahan panas akan terjadi, dengan panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah sampai kesetimbangan termal tercapai.
Perpindahan ini terjadi karena tumbukan antara molekul berenergi lebih tinggi pada benda panas dengan molekul berenergi lebih rendah pada benda yang lebih dingin, mentransfer energi ke mereka dalam proses sampai tumbukan acak yang cukup antara molekul dalam bahan telah terjadi sehingga energi menjadi terdistribusi secara merata di antara benda-benda atau zat. Akibatnya, suhu akhir baru tercapai, yang terletak di antara suhu asli benda panas dan dingin.
Cara lain untuk memikirkan hal ini adalah bahwa energi total yang terkandung dalam kedua zat pada akhirnya menjadi terdistribusi secara merata di antara zat-zat tersebut.
Suhu akhir dua benda pada suhu awal yang berbeda setelah mereka mencapai kesetimbangan termal dapat ditemukan dengan menggunakan hubungan antara energi panasQ, kapasitas panas spesifikc, massasayadan perubahan suhu yang diberikan oleh persamaan berikut:
Q = mc\Delta T
Contoh:Misalkan 0,1 kg uang tembaga (cc= 390 J/kgK) pada 50 derajat Celcius dijatuhkan ke dalam 0,1 kg air (cw= 4.186 J/kgK) pada 20 derajat Celcius. Berapa suhu akhir setelah kesetimbangan termal tercapai?
Solusi: Pertimbangkan bahwa panas yang ditambahkan ke air dari sen akan sama dengan panas yang dikeluarkan dari sen. Jadi jika air menyerap panasQwdimana:
Q_w = m_wc_w\Delta T_w
Kemudian untuk uang tembaga:
Q_c=-Q_w = m_cc_c\Delta T_c
Ini memungkinkan Anda untuk menulis hubungan:
m_cc_c\Delta T_c=-m_wc_w\Delta T_w
Kemudian Anda dapat memanfaatkan fakta bahwa uang tembaga dan air harus memiliki suhu akhir yang sama,Tf, seperti yang:
\Delta T_c=T_f-T_{ic}\\\Delta T_w=T_f-T_{iw}
Memasukkan iniTekspresi ke dalam persamaan sebelumnya, Anda kemudian dapat memecahkanTf. Sebuah aljabar kecil memberikan hasil sebagai berikut:
T_f = \frac{m_cc_c T_{ic}+m_wc_w T_{iw}}{m_cc_c+m_wc_w}
Memasukkan nilai-nilai kemudian memberikan:
Catatan: Jika Anda terkejut bahwa nilainya begitu dekat dengan suhu awal air, pertimbangkan perbedaan yang signifikan antara panas spesifik air dan panas spesifik tembaga. Dibutuhkan lebih banyak energi untuk menyebabkan perubahan suhu dalam air daripada menyebabkan perubahan suhu pada tembaga.
Bagaimana Termometer Bekerja
Termometer merkuri bohlam kaca kuno mengukur suhu dengan memanfaatkan sifat ekspansi termal merkuri. Merkuri mengembang saat hangat dan menyusut saat dingin (dan jauh lebih besar daripada termometer kaca yang mengandung itu.) Jadi saat merkuri mengembang, ia naik di dalam tabung gelas, memungkinkan untuk pengukuran.
Termometer pegas – yang biasanya memiliki permukaan melingkar dengan penunjuk logam – juga bekerja di luar prinsip ekspansi termal. Mereka berisi sepotong logam melingkar yang mengembang dan mendingin berdasarkan suhu, menyebabkan penunjuk bergerak.
Termometer digital menggunakan kristal cair peka panas untuk memicu tampilan suhu digital.
Hubungan Antara Suhu dan Energi Dalam
Sementara suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata per molekul, energi internal adalah total semua energi kinetik dan potensial molekul. Untuk gas ideal, di mana energi potensial partikel akibat interaksi diabaikan, energi internal total totalEdiberikan oleh rumus:
E = \frac{3}{2}nRT
Dimanatidakadalah jumlah mol danRadalah konstanta gas universal = 8,3145 J/molK.
Tidak mengherankan, ketika suhu meningkat, energi panas meningkat. Hubungan ini juga memperjelas mengapa skala Kelvin penting. Energi internal harus bernilai 0 atau lebih besar. Tidak akan pernah masuk akal untuk menjadi negatif. Tidak menggunakan skala Kelvin akan memperumit persamaan energi internal dan memerlukan penambahan konstanta untuk memperbaikinya. Energi internal menjadi 0 pada 0 K mutlak.