Apa itu Kapasitas Panas?

Kapasitas panas adalah istilah dalam fisika yang menggambarkan berapa banyak panas yang harus ditambahkan ke suatu zat untuk menaikkan suhunya sebesar 1 derajat Celcius. Ini terkait dengan, tetapi berbeda dari, panas spesifik, yang merupakan jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan tepat 1 gram (atau beberapa satuan massa tetap lainnya) suatu zat sebesar 1 derajat Celcius. Menurunkan kapasitas panas suatu zat C dari panas spesifiknya S adalah masalah mengalikan dengan jumlah dari zat yang ada dan memastikan Anda menggunakan satuan massa yang sama di seluruh masalah. Kapasitas panas, secara sederhana, adalah indeks kemampuan suatu benda untuk menahan pemanasan dengan penambahan energi panas.

Materi dapat berwujud padat, cair, atau gas. Dalam kasus gas, kapasitas panas dapat bergantung pada tekanan lingkungan dan suhu lingkungan. Para ilmuwan sering ingin mengetahui kapasitas panas gas pada tekanan konstan, sementara variabel lain seperti suhu dibiarkan berubah; ini dikenal sebagai C_p. Demikian pula, mungkin berguna untuk menentukan kapasitas panas gas pada volume konstan, atau C

Sebelum memulai pembahasan tentang kapasitas kalor dan kalor jenis, ada baiknya kita memahami terlebih dahulu dasar-dasar perpindahan kalor dalam fisika, dan konsep kalor secara umum, dan biasakan diri Anda dengan beberapa persamaan dasar disiplin.

Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari usaha dan energi suatu sistem. Kerja, energi, dan panas semuanya memiliki satuan yang sama dalam fisika meskipun memiliki arti dan aplikasi yang berbeda. Satuan panas dalam SI (standar internasional) adalah joule. Usaha didefinisikan sebagai gaya dikalikan dengan jarak, jadi, dengan memperhatikan satuan SI untuk masing-masing besaran ini, joule sama dengan newton-meter. Satuan lain yang mungkin Anda temui untuk panas termasuk kalori (kal), satuan termal Inggris (btu) dan erg. (Perhatikan bahwa "kalori" yang Anda lihat pada label nutrisi makanan sebenarnya adalah kilokalori, "kilo-" adalah awalan Yunani yang menunjukkan "seribu"; jadi, ketika Anda mengamati bahwa, katakanlah, sekaleng soda 12 ons mengandung 120 "kalori", ini sebenarnya sama dengan 120.000 kalori dalam istilah fisik formal.)

Gas berperilaku berbeda dari cairan dan padatan. Oleh karena itu, fisikawan di dunia aerodinamika dan disiplin ilmu terkait, yang secara alami sangat memperhatikan perilaku udara dan gas lain dalam pekerjaannya. dengan mesin berkecepatan tinggi dan mesin terbang, memiliki perhatian khusus tentang kapasitas panas dan parameter fisik terukur lainnya yang terkait dengan materi dalam hal ini. negara. Salah satu contohnya adalah entalpi, yang merupakan ukuran panas internal sistem tertutup. Ini adalah jumlah energi sistem ditambah produk dari tekanan dan volumenya:

H = E + PV

Lebih khusus lagi, perubahan entalpi terkait dengan perubahan volume gas dengan hubungan:

H = E + P∆V

Simbol Yunani, atau delta, berarti "perubahan" atau "perbedaan" menurut konvensi dalam fisika dan matematika. Selain itu, Anda dapat memverifikasi bahwa tekanan kali volume memberikan satuan kerja; tekanan diukur dalam newton/m², sedangkan volume dapat dinyatakan dalam m³.

Juga, tekanan dan volume gas terkait dengan persamaan:

P∆V = R∆T

di mana T adalah suhu, dan R adalah konstanta yang memiliki nilai berbeda untuk setiap gas.

Anda tidak perlu memasukkan persamaan ini ke memori, tetapi persamaan tersebut akan dibahas kembali nanti tentang C_p dan C_v.

Sebagaimana dicatat, kapasitas panas dan panas spesifik adalah jumlah yang terkait. Yang pertama sebenarnya muncul dari yang kedua. Panas spesifik adalah variabel keadaan, yang berarti bahwa ia hanya berhubungan dengan sifat intrinsik suatu zat dan bukan dengan seberapa banyak zat itu ada. Oleh karena itu dinyatakan sebagai panas per satuan massa. Kapasitas panas, di sisi lain, tergantung pada seberapa banyak zat yang bersangkutan mengalami perpindahan panas, dan itu bukan variabel keadaan.

Semua materi memiliki suhu yang terkait dengannya. Ini mungkin bukan hal pertama yang terlintas dalam pikiran Anda ketika Anda melihat suatu objek ("Saya ingin tahu seberapa hangat buku itu?"), tetapi di sepanjang jalan, Anda mungkin memiliki belajar bahwa para ilmuwan tidak pernah berhasil mencapai suhu nol mutlak dalam kondisi apa pun, meskipun mereka datang dengan sangat menyiksa Menutup. (Alasan mengapa orang melakukan hal seperti itu berkaitan dengan sifat konduktivitas yang sangat tinggi dari bahan yang sangat dingin; pikirkan saja nilai konduktor listrik fisik yang hampir tidak memiliki hambatan.) Suhu adalah ukuran pergerakan molekul. Dalam bahan padat, materi diatur dalam kisi atau kisi, dan molekul tidak bebas bergerak. Dalam cairan, molekul lebih bebas bergerak, tetapi mereka masih dibatasi untuk sebagian besar. Dalam gas, molekul dapat bergerak dengan sangat bebas. Bagaimanapun, ingatlah bahwa suhu rendah menyiratkan sedikit pergerakan molekul.

Ketika Anda ingin memindahkan suatu objek, termasuk diri Anda sendiri, dari satu lokasi fisik ke lokasi fisik lainnya, Anda harus mengeluarkan energi – atau sebagai alternatif, melakukan usaha – untuk melakukannya. Anda harus bangun dan berjalan melintasi ruangan, atau Anda harus menekan pedal akselerator mobil untuk memaksa bahan bakar melalui mesinnya dan memaksa mobil untuk bergerak. Demikian pula, pada tingkat mikro, input energi ke dalam sistem diperlukan untuk membuat molekulnya bergerak. Jika masukan energi ini cukup untuk menyebabkan peningkatan gerak molekul, maka berdasarkan pembahasan di atas, ini tentu menyiratkan bahwa suhu zat juga meningkat.

Zat umum yang berbeda memiliki nilai panas spesifik yang sangat bervariasi. Di antara logam, misalnya, emas mencapai 0,129 J/g °C, yang berarti bahwa 0,129 joule panas cukup untuk menaikkan suhu 1 gram emas sebesar 1 derajat Celcius. Ingat, nilai ini tidak berubah berdasarkan jumlah emas yang ada, karena massa sudah diperhitungkan dalam penyebut satuan panas spesifik. Tidak demikian halnya dengan kapasitas panas, seperti yang akan segera Anda temukan.

Ini mengejutkan banyak siswa fisika pengantar bahwa panas spesifik air, 4,179, jauh lebih tinggi daripada logam biasa. (Dalam artikel ini, semua nilai kalor jenis diberikan dalam J/g °C.) Juga, kapasitas kalor es, 2,03, adalah kurang dari setengah kapasitas kalor air, meskipun keduanya terdiri dari H₂HAI. Ini menunjukkan bahwa keadaan suatu senyawa, dan bukan hanya susunan molekulnya, mempengaruhi nilai kalor jenisnya.

Bagaimanapun, katakanlah Anda diminta untuk menentukan berapa banyak panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 150 g besi (yang memiliki panas jenis, atau S, sebesar 0,450) sebesar 5 C. Bagaimana Anda akan melakukannya?

Perhitungannya sangat sederhana; kalikan panas spesifik S dengan jumlah bahan dan perubahan suhu. Karena S = 0,450 J/g °C, jumlah kalor yang perlu ditambahkan dalam J adalah (0,450)(g)(∆T) = (0,450)(150)(5) = 337,5 J. Cara lain untuk menyatakan ini adalah dengan mengatakan bahwa kapasitas panas 150 g besi adalah 67,5 J, yang tidak lebih dari panas spesifik S dikalikan dengan massa zat yang ada. Jelas, meskipun kapasitas panas air cair konstan pada suhu tertentu, akan membutuhkan lebih banyak panas untuk menghangatkan salah satu Great Lakes bahkan sepersepuluh derajat daripada yang dibutuhkan untuk menghangatkan satu liter air sebesar 1 derajat, atau 10 atau bahkan 50.

Pada bagian sebelumnya, Anda diperkenalkan dengan gagasan kapasitas panas kontingen untuk gas – yaitu, nilai kapasitas panas yang berlaku untuk zat tertentu dalam kondisi di mana suhu (T) atau tekanan (P) dipertahankan konstan sepanjang masalah. Anda juga diberikan persamaan dasar H = E + P∆V dan P∆V = R∆T.

Anda dapat melihat dari dua persamaan terakhir bahwa cara lain untuk menyatakan perubahan entalpi, H, adalah:

E + R∆T

Meskipun tidak ada derivasi yang diberikan di sini, satu cara untuk menyatakan hukum pertama termodinamika, yang berlaku untuk sistem tertutup dan yang mungkin pernah Anda dengar dalam bahasa sehari-hari dinyatakan sebagai "Energi tidak diciptakan atau dimusnahkan," aku s:

E = C_vT

Dalam bahasa sederhana, ini berarti bahwa ketika sejumlah energi ditambahkan ke suatu sistem termasuk gas, dan volume gas itu tidak boleh berubah (ditunjukkan dengan subskrip V dalam C_v), suhunya harus naik sebanding dengan nilai kapasitas panas gas itu.

Ada hubungan lain di antara variabel-variabel ini yang memungkinkan penurunan kapasitas panas pada tekanan konstan, C_hal, daripada volume konstan. Hubungan ini adalah cara lain untuk menggambarkan entalpi:

H = C_pT

Jika Anda mahir dalam aljabar, Anda dapat mencapai hubungan kritis antara C_v dan C_p:

C_p = C_v + R

Artinya, kapasitas panas gas pada tekanan konstan lebih besar daripada kapasitas panasnya pada volume konstan dengan beberapa R konstan yang terkait dengan sifat spesifik gas yang diteliti. Ini masuk akal secara intuitif; jika Anda membayangkan gas dibiarkan mengembang sebagai respons terhadap peningkatan tekanan internal, Anda mungkin dapat merasakan bahwa ia harus melakukan pemanasan lebih sedikit sebagai respons terhadap penambahan energi yang diberikan daripada jika terbatas pada hal yang sama ruang.

Akhirnya, Anda dapat menggunakan semua informasi ini untuk mendefinisikan variabel spesifik zat lain,, yang merupakan rasio C_p ke C_v, atau C_p/C_v. Anda dapat melihat dari persamaan sebelumnya bahwa rasio ini meningkat untuk gas dengan nilai R yang lebih tinggi.

C_p dan C_v udara keduanya penting dalam studi dinamika fluida karena udara (terdiri dari campuran sebagian besar nitrogen dan oksigen) adalah gas paling umum yang dialami manusia. Keduanya C_p dan C_v bergantung pada suhu, dan tidak persis pada tingkat yang sama; seperti yang terjadi, C_v naik sedikit lebih cepat dengan meningkatnya suhu. Ini berarti bahwa "konstanta" sebenarnya tidak konstan, tetapi secara mengejutkan mendekati kisaran suhu yang mungkin. Misalnya, pada 300 derajat Kelvin, atau K (sama dengan 27 C), nilai adalah 1,400; pada suhu 400 K, yaitu 127 C dan jauh di atas titik didih air, nilai adalah 1,395.