Cara Menghitung Kapasitas Panas

Jika Anda melihat permukaan kolam beku perlahan mencair pada sore musim dingin yang tidak biasa, dan melihat hal yang sama terjadi di permukaan genangan air beku berukuran baik di dekatnya, Anda mungkin mengamati es di masing-masing tampaknya berubah menjadi air pada waktu yang hampir sama menilai.

Tetapi bagaimana jika semua sinar matahari yang jatuh di permukaan kolam yang terbuka, mungkin berukuran satu hektar, secara bersamaan terfokus pada permukaan genangan air?

Intuisi Anda mungkin memberi tahu Anda bahwa permukaan genangan air tidak hanya akan meleleh menjadi air dengan sangat cepat, tetapi seluruh genangan air bahkan bisa menjadi uap air hampir seketika, melewati fase cair menjadi berair gas. Tetapi mengapa, dari sudut pandang ilmu fisika, harus demikian?

Intuisi yang sama kemungkinan memberi tahu Anda bahwa ada hubungan antara panas, massa, dan perubahan suhu es, air, atau keduanya.

Seperti yang terjadi, inilah masalahnya dan idenya meluas ke zat lain juga, yang masing-masing memiliki perbedaan "resistensi" terhadap panas, seperti yang dimanifestasikan dalam perubahan suhu yang berbeda sebagai respons terhadap jumlah tertentu jika ditambahkan panas. Ide-ide ini bergabung untuk menawarkan konsep

Panas adalah salah satu bentuk kuantitas yang tampaknya tak terhitung jumlahnya yang dikenal sebagai energi dalam fisika. Energi memiliki satuan gaya kali jarak, atau newton-meter, tetapi ini biasanya disebut joule (J). Dalam beberapa aplikasi, kalori, sama dengan 4,18 J, adalah satuan standar; di lain lagi, btu, atau unit tema Inggris, aturan hari.

Panas cenderung "berpindah" dari daerah yang lebih hangat ke daerah yang lebih dingin, yaitu, ke daerah yang saat ini panasnya lebih sedikit. Sementara panas tidak dapat ditahan atau dilihat, perubahan besarnya dapat diukur melalui perubahan suhu.

Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata dari satu set molekul, seperti gelas air atau wadah gas. Menambahkan panas meningkatkan energi kinetik molekuler ini, dan karenanya suhu, sementara menguranginya menurunkan suhu.

Mengapa joule sama dengan 4,18 kalori? Karena kalori (kal), meskipun bukan satuan SI untuk kalor, diturunkan dari satuan metrik dan bersifat fundamental: jumlah panas diperlukan untuk menaikkan satu gram air pada suhu kamar sebesar 1 K atau 1 °C. (Perubahan 1 derajat pada skala Kelvin identik dengan perubahan 1 derajat pada skala Celsius; namun, keduanya diimbangi sekitar 273 derajat, sehingga 0 K = 273,15 °C.)

• "Kalori" pada label makanan sebenarnya adalah kilokalori (kkal) yang berarti bahwa sekaleng soda manis 12 ons mengandung sekitar 150.000 kalori sebenarnya.

Cara seseorang dapat menentukan hal seperti itu melalui eksperimen, menggunakan air atau zat lain, adalah dengan menempatkan massa tertentu dalam wadah, tambahkan sejumlah panas tertentu tanpa membiarkan zat atau panas keluar dari rakitan, dan ukur perubahannya suhu.

Karena Anda mengetahui massa zat, dan dapat mengasumsikan bahwa panas dan suhu seragam, Anda dapat menentukan dengan pembagian sederhana berapa banyak panas yang akan mengubah jumlah satuan, seperti 1 gram, dengan cara yang sama suhu.

Rumus kapasitas panas datang dalam berbagai bentuk, tetapi semuanya memiliki persamaan dasar yang sama:

Q = mCΔT

Persamaan ini hanya menyatakan bahwa perubahan panas Q dari sistem tertutup (cair, gas atau padat) material) sama dengan massa m sampel dikali perubahan suhu T dikali parameter C dipanggil kapasitas panas spesifik, atau hanya panas spesifik. Semakin tinggi nilai C, semakin banyak panas yang dapat diserap sistem dengan tetap mempertahankan kenaikan suhu yang sama.

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda dengan jumlah tertentu (biasanya 1 K), jadi satuan SI adalah J/K. Objeknya mungkin seragam, atau mungkin tidak. Adalah mungkin untuk secara kasar menentukan kapasitas panas dari campuran zat seperti lumpur jika Anda mengetahui massanya dan mengukur perubahan suhunya sebagai respons terhadap pemanasan dalam perangkat tertutup beberapa menyortir.

Kuantitas yang lebih berguna dalam kimia, fisika, dan teknik adalah kapasitas panas spesifik C, diukur dalam satuan panas per satuan massa. Satuan kapasitas panas spesifik biasanya joule per gram-kelvin, atau J/g⋅K, meskipun kilogram (kg) adalah satuan SI untuk massa. Salah satu alasan panas spesifik berguna adalah jika Anda memiliki massa yang diketahui dari zat yang seragam dan mengetahui panasnya its kapasitas, Anda dapat menilai kebugarannya untuk berfungsi sebagai "penyerap panas" untuk menghindari risiko kebakaran dalam eksperimen tertentu situasi.

Air sebenarnya memiliki kapasitas panas yang sangat tinggi. Mengingat bahwa tubuh manusia harus dapat mentolerir penambahan atau pengurangan sejumlah besar panas berkat Bumi Earth kondisi yang bervariasi, ini akan menjadi kebutuhan dasar setiap entitas biologis yang sebagian besar terbuat dari air, karena hampir semua makhluk hidup yang cukup besar hal-hal yang.

Bayangkan sebuah stadion olahraga yang dapat menampung 100.000 orang, dan satu lagi di seberang kota yang dapat menampung 50.000 orang. Sepintas, jelas bahwa "kapasitas kursi" mutlak dari stadion pertama adalah dua kali lipat dari yang kedua. Tetapi bayangkan juga bahwa stadion kedua dibangun sedemikian rupa sehingga hanya memakan waktu satu perempat dari volume yang pertama.

Jika Anda melakukan aljabar, Anda menemukan bahwa stadion yang lebih kecil sebenarnya dapat menampung dua kali lebih banyak orang per satuan ruang sebagai yang lebih besar, memberikannya dua kali nilai "kursi tertentu".

Dalam analogi ini, pikirkan penonton individu sebagai satuan panas dengan besaran yang sama, mengalir masuk dan keluar stadion. Sementara stadion yang lebih besar dapat menampung "panas" dua kali lebih banyak secara keseluruhan, stadion yang lebih kecil sebenarnya memiliki kapasitas dua kali lipat untuk "menyimpan" versi "panas" ini per unit ruang.

Jika setiap bagian berukuran sama dari kedua stadion diasumsikan menghasilkan jumlah sampah pasca-pertandingan yang sama saat penuh, terlepas dari berapa banyak orang yang ditampungnya, maka yang lebih kecil akan dua kali lebih efektif dalam mengurangi sampah dari individu penonton; anggap ini sebagai dua kali lebih tahan terhadap kenaikan suhu per unit panas yang ditambahkan.

Dari sini, Anda dapat melihat bahwa jika dua benda dengan panas jenis yang sama memiliki massa yang berbeda, benda yang lebih besar akan memiliki kapasitas panas yang lebih besar dengan jumlah yang disesuaikan dengan massanya. Ketika membandingkan benda dengan massa yang berbeda dan kalor jenis yang berbeda, situasinya menjadi lebih kompleks.

Logam tembaga memiliki kalor jenis 0,386 J/g⋅K. Berapa banyak kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg (1.000 g, atau 2,2 pon) tembaga dari 0 °C menjadi 100 °C?
Q = (m)(C)(ΔT) = (1.000 g)(0,386 J/g⋅K)(100 K) = 38.600 J = 38,6 kJ.

Apakah yang kapasitas panas dari bongkahan tembaga ini? Anda membutuhkan 38.600 J untuk menaikkan seluruh massa sebesar 100 K, jadi Anda memerlukan 1/100 dari ini untuk mendorongnya naik sebesar 1 K. Jadi kapasitas kalor tembaga dalam ukuran ini adalah 386 J.