Orang terkadang menggunakan istilahpanasdansuhusecara bergantian. Mereka mengasosiasikan panas dengan katapanasdan memahami suhu juga terkait dengan "panasnya" atau "dinginnya" sesuatu. Mungkin mereka akan mengatakan bahwa suhu pada hari musim semi terasa pas karena jumlah panas yang tepat.
Dalam fisika, bagaimanapun, kedua kuantitas ini cukup berbeda satu sama lain. Mereka bukan ukuran dari hal yang sama, dan mereka tidak memiliki satuan yang sama, meskipun keduanya dapat menginformasikan pemahaman Anda tentang sifat termal.
Energi Dalam
Untuk memahami panas dan suhu pada tingkat dasar, pertama-tama penting untuk memahami konsep energi internal. Meskipun Anda mungkin akrab dengan benda yang memiliki energi kinetik karena gerakannya, atau energi potensial karena potential posisinya, dalam suatu objek tertentu, molekul itu sendiri juga dapat memiliki bentuk kinetik dan potensial energi.
Energi kinetik dan potensial molekul ini terpisah dari apa yang dapat Anda lihat ketika melihat, katakanlah, sebuah batu bata. Sebuah batu bata yang tergeletak di tanah tampaknya tidak bergerak, dan Anda mungkin menganggapnya tidak memiliki energi kinetik atau potensial yang terkait dengannya. Dan memang, itu tidak sesuai dengan pemahaman Anda tentang mekanika dasar.
Tetapi batu bata itu sendiri terdiri dari banyak molekul yang secara individual mengalami berbagai jenis gerakan kecil yang tidak dapat Anda lihat. Molekul juga dapat mengalami energi potensial karena kedekatannya dengan molekul lain dan gaya yang diberikan di antara mereka. Energi internal total batu bata ini adalah jumlah energi kinetik dan energi potensial dari molekul itu sendiri.
Seperti yang mungkin telah Anda pelajari, energi dilestarikan. Jika tidak ada gaya gesekan atau disipatif yang bekerja pada suatu benda, energi mekanik juga kekal. Artinya, energi kinetik dapat berubah menjadi energi potensial dan sebaliknya, tetapi totalnya tetap konstan. Namun, ketika gaya seperti gesekan bekerja, Anda mungkin melihat energi mekanik total berkurang. Hal ini karena energi mengambil bentuk lain seperti energi suara atau energi panas.
Ketika Anda menggosok tangan Anda bersama-sama pada hari yang dingin, Anda mengubah energi mekanik menjadi energi panas. Artinya, energi kinetik tangan Anda yang bergerak melawan satu sama lain berubah bentuk dan menjadi energi kinetik molekul-molekul di tangan Anda terhadap satu sama lain. Rata-rata energi kinetik ini dalam molekul di tangan Anda adalah apa yang didefinisikan oleh para ilmuwan sebagai suhu.
Definisi Suhu
Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat. Perhatikan bahwa itu tidak sama dengan energi internal zat karena tidak termasuk energi potensial dan juga bukan ukuran energi total dalam zat. Sebaliknya, itu adalah energi kinetik total dibagi dengan jumlah molekul. Dengan demikian, itu tidak tergantung pada seberapa banyak sesuatu yang Anda miliki (seperti energi internal total) tetapi lebih pada seberapa banyak energi kinetik yang dibawa oleh molekul rata-rata dalam zat tersebut.
Suhu dapat diukur dalam banyak unit yang berbeda. Di antaranya adalah Fahrenheit, yang paling umum di AS dan beberapa tempat lainnya. Pada skala Fahrenheit, air membeku pada 32 derajat dan mendidih pada 212. Skala umum lainnya adalah skala Celsius, yang digunakan di banyak tempat lain di dunia. Pada skala ini, air membeku pada 0 derajat dan mendidih pada 100 derajat (yang memberikan gambaran yang cukup jelas tentang bagaimana skala ini dirancang).
Tetapi standar ilmiahnya adalah skala Kelvin. Sementara ukuran kenaikan pada skala Kelvin sama dengan derajat Celcius, skala Kelvin dimulai pada suhu yang disebut nol mutlak, di mana semua gerakan molekul berhenti. Dengan kata lain, itu dimulai pada suhu terdingin.
Nol derajat Celcius adalah 273,15 pada skala Kelvin. Skala Kelvin adalah standar ilmiah untuk alasan yang baik. Misalkan ada sesuatu yang bersuhu 0 derajat Celcius. Apa artinya mengatakan bahwa benda kedua memiliki suhu dua kali lipat? Apakah barang itu juga 0 Celcius? Nah pada skala Kelvin, gagasan ini tidak menimbulkan masalah, dan justru karena dimulai dari nol mutlak.
Definisi Panas
Pertimbangkan dua zat atau benda pada suhu yang berbeda. Apa artinya ini? Ini berarti bahwa rata-rata molekul dalam salah satu zat (yang bersuhu lebih tinggi) adalah: bergerak dengan energi kinetik rata-rata yang lebih besar daripada molekul pada suhu yang lebih rendah zat.
Jika kedua zat itu bersentuhan, tidak mengherankan, energi mulai rata-rata di antara zat-zat itu ketika tumbukan mikroskopis terjadi. Zat yang awalnya bersuhu lebih tinggi akan mendingin seiring dengan naiknya suhu zat lain hingga keduanya memiliki suhu yang sama. Para ilmuwan menyebut keadaan akhir inikesetimbangan termal.
Energi panas yang dipindahkan dari benda yang lebih hangat ke benda yang lebih dingin disebut oleh para ilmuwan sebagai panas. Kalor adalah bentuk energi yang ditransfer antara dua bahan yang berbeda suhunya. Kalor selalu mengalir dari bahan yang suhunya lebih tinggi ke bahan yang suhunya lebih rendah sampai tercapai kesetimbangan termal.
Karena kalor adalah suatu bentuk energi, maka satuan SI kalor adalah joule.
Perbedaan Antara Panas dan Suhu
Seperti yang telah Anda lihat dengan definisi sebelumnya, panas dan suhu memang dua ukuran fisik yang berbeda. Ini hanya beberapa perbedaan mereka:
Mereka diukur dalam unit yang berbeda.Satuan SI untuk suhu adalah Kelvin, dan satuan SI untuk kalor adalah joule. Kelvin dianggap sebagai satuan dasar, artinya tidak dapat dipecah menjadi kombinasi satuan dasar lainnya. Joule setara dengan kgm2/s2.
Mereka berbeda dalam ketergantungan mereka pada jumlah molekul.Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata per molekul, yang berarti tidak masalah berapa banyak zat yang Anda miliki ketika Anda berbicara tentang suhu. Jumlah energi panas yang mungkin ditransfer antar zat, bagaimanapun, sangat tergantung pada seberapa banyak masing-masing zat yang Anda miliki.
Mereka adalah jenis variabel yang berbeda.Suhu dikenal sebagai variabel keadaan. Artinya, ia mendefinisikan keadaan di mana suatu zat atau objek berada. Panas, di sisi lain, adalah variabel proses. Ini menggambarkan proses yang terjadi - dalam hal ini, energi yang ditransfer. Tidak masuk akal untuk berbicara tentang panas ketika semuanya dalam keseimbangan.
Mereka diukur secara berbeda.Suhu diukur dengan termometer, yang biasanya merupakan perangkat yang menggunakan ekspansi termal untuk mengubah pembacaan pada skala. Panas, di sisi lain, diukur dengan kalorimeter.
Persamaan dan Hubungan Antara Panas dan Suhu.
Panas dan suhu tidak sepenuhnya tidak berhubungan satu sama lain, namun:
Keduanya merupakan besaran penting dalam termodinamika.Studi tentang energi panas bergantung pada kemampuan untuk mengukur suhu serta kemampuan untuk melacak perpindahan panas.
Perpindahan panas didorong oleh perbedaan suhu.Ketika dua benda berada pada suhu yang berbeda, energi panas akan berpindah dari yang lebih hangat ke yang lebih dingin sampai tercapai kesetimbangan termal. Dengan demikian, perbedaan suhu ini adalah pendorong perpindahan panas.
Mereka cenderung meningkat dan menurun bersama-sama.Jika panas ditambahkan ke sistem, suhu naik. Jika panas dihilangkan dari suatu sistem, suhu turun. (Satu pengecualian untuk ini terjadi dengan transisi fase, dalam hal ini energi panas digunakan untuk menyebabkan transisi fase alih-alih perubahan suhu.)
Mereka terkait satu sama lain dengan persamaan.Energi panasQberhubungan dengan perubahan suhuTmelalui persamaan Q = mcΔT dimanasayaadalah massa zat dancadalah kapasitas panas spesifiknya (yaitu, ukuran jumlah energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan satu satuan massa sebesar satu derajat Kelvin untuk zat tertentu.)
Panas, Suhu, dan Energi Internal Total
Energi internal adalah total energi kinetik dan potensial internal, atau energi panas dalam suatu material. Untuk gas ideal, di mana energi potensial antar molekul diabaikan, energi internal internalEdiberikan oleh rumus E = 3/2nRT dimanatidakadalah jumlah mol gas dan konstanta gas universalR= 8,3145 J/molK.
Hubungan antara energi internal dan suhu menunjukkan bahwa, tidak mengherankan, ketika suhu meningkat, energi panas meningkat. Energi internal juga menjadi 0 pada 0 Kelvin mutlak.
Panas muncul ketika Anda mulai melihat perubahan energi internal. Hukum pertama termodinamika memberikan hubungan berikut:
\Delta E = Q - W
dimanaQadalah kalor yang ditambahkan ke sistem danWadalah kerja yang dilakukan oleh sistem. Intinya, ini adalah pernyataan kekekalan energi. Ketika Anda menambahkan energi panas, energi internal meningkat. Jika sistem tidak bekerja pada lingkungannya, energi internal berkurang.
Suhu sebagai Fungsi Energi Panas
Seperti disebutkan sebelumnya, energi panas yang ditambahkan ke sistem biasanya menghasilkan peningkatan suhu yang sesuai kecuali sistem mengalami perubahan fasa. Untuk melihat ini lebih dekat, pertimbangkan balok es yang dimulai di bawah titik beku karena energi panas ditambahkan pada tingkat yang konstan.
Jika energi panas ditambahkan terus-menerus selama balok es memanas hingga membeku, mengalami perubahan fase menjadi air dan kemudian terus memanas hingga mencapai titik didih, di mana ia mengalami perubahan fase lain menjadi uap, grafik suhu vs. panas akan terlihat seperti berikut:
Sementara es di bawah titik beku, ada hubungan linier antara energi panas dan suhu. Hal ini tidak mengejutkan sebagaimana mestinya, mengingat persamaan Q = mcΔT. Namun, begitu es mencapai suhu beku, setiap energi panas yang ditambahkan harus digunakan untuk membantunya mengubah fase. Suhu tetap konstan meskipun panas masih ditambahkan. Persamaan yang menghubungkan energi panas dengan massa selama perubahan fasa dari padat ke cair adalah sebagai berikut:
Q=mL_f
dimanaLfadalah panas peleburan laten – konstanta yang berhubungan dengan berapa banyak energi yang dibutuhkan per satuan massa untuk menyebabkan perubahan dari padat ke cair.
Jadi, sampai jumlah panas sama denganmlfditambahkan, suhu tetap konstan.
Setelah semua es mencair, suhu kembali naik secara linier hingga mencapai titik didih. Di sini sekali lagi terjadi perubahan fasa, kali ini dari cair ke gas. Persamaan yang menghubungkan panas dengan massa selama perubahan fase ini sangat mirip:
dimanaLvadalah panas laten penguapan – konstanta yang berhubungan dengan berapa banyak energi yang dibutuhkan per satuan massa untuk menyebabkan perubahan dari cair ke gas. Jadi suhu sekali lagi tetap konstan sampai energi panas yang cukup telah ditambahkan. Perhatikan bahwa kali ini tetap konstan lebih lama. Itu karenaLvbiasanya lebih tinggi dariLfuntuk suatu zat.
Bagian terakhir dari grafik kembali menunjukkan hubungan linier yang sama seperti sebelumnya.