Kesetimbangan termal: persamaan, kegunaan, latihan

Kesetimbangan termal dari dua benda yang berada dalam kontak termal adalah keadaan yang dicapai setelah waktu yang cukup lama agar suhu kedua benda menjadi sama.

Dalam termodinamika, kontak termal dua benda (atau dua sistem termodinamika) dipahami sebagai situasi di mana benda-benda tersebut memiliki kontak mekanis atau terpisah tetapi bersentuhan dengan permukaan yang hanya memungkinkan perpindahan panas dari satu benda ke permukaan benda lainnya (diatermik)).

Gambar 1. Setelah beberapa saat es dan minuman akan mencapai kesetimbangan termalnya. Sumber: pixabay

Dalam kontak termal tidak boleh ada reaksi kimia antara sistem yang bersentuhan. Seharusnya hanya ada pertukaran kalor.

Situasi sehari-hari di mana ada pertukaran panas disajikan dengan sistem seperti minuman dingin dan gelas, kopi panas dan sendok teh, atau tubuh dan termometer, di antara banyak contoh lainnya.

Kapan dua atau lebih sistem berada dalam kesetimbangan termal?

Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa panas selalu berpindah dari benda yang bersuhu paling tinggi ke benda yang bersuhu paling rendah. Perpindahan panas berhenti segera setelah suhu menyamakan dan keadaan kesetimbangan termal tercapai.

Kegunaan praktis dari kesetimbangan termal adalah termometer. Termometer adalah alat yang mengukur suhunya sendiri, tetapi berkat keseimbangan termal, kita dapat mengetahui suhu benda lain, seperti suhu orang atau hewan.

Termometer kolom air raksa ditempatkan dalam kontak termal dengan tubuh, misalnya di bawah lidah, dan menunggu waktu yang cukup untuk mencapai keseimbangan termal antara tubuh dan termometer dan pembacaannya tidak berubah lebih jauh.

Ketika titik ini tercapai, suhu termometer sama dengan suhu tubuh.

Hukum nol termodinamika menyatakan bahwa jika benda A berada dalam kesetimbangan termal dengan benda C dan benda C yang sama berada dalam kesetimbangan termal dengan B, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal bahkan ketika tidak ada kontak termal antara A dan B.

Oleh karena itu, kita menyimpulkan bahwa dua atau lebih sistem berada dalam kesetimbangan termal ketika mereka memiliki suhu yang sama.

Persamaan kesetimbangan termal

Kita asumsikan benda A dengan suhu awal Ta dalam kontak termal dengan benda lain B dengan suhu awal Tb. Kita juga mengasumsikan bahwa Ta> Tb, maka menurut hukum kedua kalor dipindahkan dari A ke B.

Setelah beberapa saat, kesetimbangan termal akan tercapai dan kedua benda akan memiliki suhu akhir yang sama Tf. Ini akan memiliki nilai antara pada Ta dan Tb, yaitu Ta> Tf> Tb.

Jumlah kalor Qa yang dipindahkan dari A ke B akan menjadi Qa = Ma Ca (Tf – Ta), dimana Ma adalah massa benda A, Ca kapasitas kalor per satuan massa A dan (Tf – Ta) selisih suhu. Jika Tf lebih kecil dari Ta maka Qa negatif, menunjukkan bahwa benda A melepaskan panas.

Demikian pula untuk tubuh B kita memiliki Qb = Mb Cb (Tf – Tb); dan jika Tf lebih besar dari Tb maka Qb positif, menunjukkan bahwa benda B menerima panas. Karena benda A dan benda B berada dalam kontak termal satu sama lain, tetapi terisolasi dari lingkungan, jumlah total panas yang dipertukarkan harus nol: Qa + Qb = 0

Maka Ma Ca (Tf – Ta) + Mb Cb (Tf – Tb) = 0

Suhu keseimbangan

Mengembangkan ekspresi ini dan memecahkan suhu Tf, suhu akhir kesetimbangan termal diperoleh.

Gambar 2. Suhu kesetimbangan akhir. Sumber: buatan sendiri

Tf = (Ma Ca Ta + Mb Cb Tb) / (Ma Ca + Mb Cb).

Sebagai kasus khusus, pertimbangkan kasus benda A dan B identik dalam massa dan kapasitas panas, dalam hal ini suhu kesetimbangan adalah:

Tf = (Ta + Tb) / 2 jika Ma = Mb dan Ca = Cb.

Kontak termal dengan perubahan fase

Dalam beberapa situasi terjadi bahwa ketika dua benda ditempatkan dalam kontak termal, pertukaran panas menyebabkan perubahan keadaan atau fase di salah satunya. Jika ini terjadi, harus diperhitungkan bahwa selama perubahan fase tidak ada perubahan suhu dalam tubuh yang mengubah keadaannya.

Jika terjadi perubahan fasa dari salah satu benda yang kontak termal, konsep panas laten L diterapkan, yang merupakan energi per satuan massa yang diperlukan untuk perubahan keadaan:

Q = L M

Misalnya, untuk melelehkan 1 kg es pada 0 ° C, diperlukan 333,5 kJ / kg dan nilai itu adalah panas laten L peleburan es.

Selama pencairan, ia berubah dari air padat menjadi air cair, tetapi air itu mempertahankan suhu yang sama seperti es selama proses pencairan.

Kegunaan

Keseimbangan termal adalah bagian dari kehidupan sehari-hari. Misalnya, mari kita periksa situasi ini secara rinci:

-Latihan 1

Seseorang ingin mandi dengan air hangat bersuhu 25°C. Dalam ember, tempatkan 3 liter air dingin pada 15 ° C dan di dapur panaskan air hingga 95 ° C.

Berapa liter air panas yang harus dia tambahkan ke ember berisi air dingin untuk mendapatkan suhu akhir yang diinginkan?

Penyelesaian

Misalkan A adalah air dingin dan B adalah air panas:

Gambar 3. Larutan untuk latihan 3. Sumber: elaborasi sendiri.

Kita mengusulkan persamaan kesetimbangan termal, seperti yang ditunjukkan di papan tulis pada gambar 3, dan dari sana kita memecahkan massa air Mb.

Massa awal air dingin dapat kita peroleh karena massa jenis air diketahui , yaitu 1Kg per liter. Artinya, kita memiliki 3 kg air dingin.

M = 3kg

Kemudian

Mb = – 3 kg * (25 ° C – 15 ° C) / (25 ° C – 95 ° C) = 0,43 kg

Kemudian 0,43 liter air panas cukup untuk akhirnya mendapatkan 3,43 liter air hangat pada 25 ° C.

Latihan yang diselesaikan

-Latihan 2

Sepotong logam dengan massa 150 g dan suhu 95 ° C dimasukkan ke dalam wadah yang berisi setengah liter air pada suhu 18 ° C. Setelah beberapa saat kesetimbangan termal tercapai dan suhu air dan logam adalah 25 ° C.

Misalkan wadah dengan air dan potongan logam adalah termos tertutup yang tidak memungkinkan pertukaran panas dengan lingkungan.

Dapatkan panas spesifik dari logam.

Penyelesaian

Pertama kita hitung kalor yang diserap air:

Qa = Ma Ca (Tf – Ta)

Qa = 500g 1kal / (g ° C) (25 ° C – 18 ° C) = 3500 kalori.

Itu adalah panas yang sama yang diberikan oleh logam:

Qm = 150g Cm (25 ° C – 95 ° C) = -3500 kalori.

Jadi kita bisa mendapatkan kapasitas kalor logam:

Cm = 3500 kal / (150g 70 ° C) = kal / (g ° C).

Latihan 3

Anda memiliki 250 cc air pada 30 ° C. Untuk air yang berada dalam termos isolasi, 25 g es batu ditambahkan pada 0 ° C, dengan tujuan mendinginkannya.

Tentukan suhu kesetimbangan; yaitu, suhu yang akan tetap setelah semua es mencair dan air es telah memanas sama dengan suhu air yang dimiliki gelas pada awalnya.

Penyelesaian 3

Latihan ini dapat diselesaikan dalam tiga tahap:

  1. Yang pertama adalah mencairnya es yang menyerap panas dari awal air hingga mencair dan menjadi air.
  2. Kemudian penurunan suhu dalam air awal dihitung, karena fakta bahwa ia telah memberikan panas (Qced <0) untuk melelehkan es.
  3. Akhirnya, air cair (yang berasal dari es) harus seimbang secara termal dengan air yang ada pada awalnya.

Gambar 4. Larutan untuk latihan 3. Sumber: elaborasi sendiri.

Mari kita hitung kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan es:

Qf = L * Mh = 333,5 kJ / kg * 0,025kg = 8,338 kJ

Maka kalor yang diberikan air untuk mencairkan es adalah Qced = -Qf

Panas yang dilepaskan oleh air ini menurunkan suhunya ke nilai T ‘yang dapat kita hitung sebagai berikut:

T’= T0 – Qf / (Ma * Ca) = 22,02 ° C

Dimana Ca adalah kapasitas kalor air : 4,18 kJ/(kg°C).

Akhirnya, massa awal air yang sekarang pada 22,02 ° C akan melepaskan panas ke massa air cair dari es yang pada 0 ° C.

Akhirnya suhu kesetimbangan Te akan tercapai setelah waktu yang cukup:

Te = (Ma * T’+ Mh * 0 ° C) / (Ma + Mh) = (0,25kg * 22,02 ° C + 0,025kg * 0 ° C) / (0,25kg + 0,025kg).

Akhirnya diperoleh suhu kesetimbangan:

Te = 20,02 °C.

-Latihan 4

Sepotong timbal 0,5 kg meninggalkan tungku pada suhu 150 ° C, yang jauh di bawah titik lelehnya. Potongan ini ditempatkan dalam wadah berisi 3 liter air pada suhu kamar 20 ° C. Tentukan suhu kesetimbangan akhir.

Hitung juga:

– Jumlah panas yang dikirim oleh timbal ke air.

– Jumlah kalor yang diserap air.

Data:

Panas jenis timbal: Cp = 0,03 kal / (g ° C); Panas jenis air: Ca = 1 kal / (g ° C).

Penyelesaian

Pertama kita tentukan suhu kesetimbangan akhir Te:

Te = (Ma Ca Ta + Mp Cp Tp) / (Ma Ca + Mp Cp)

Te = 20,65 ° C

Maka jumlah panas yang dilepaskan oleh timbal adalah:

Qp = Mp Cp (Te – Tp) = -1,94 x 10³ kal.

Banyaknya kalor yang diserap air adalah :

Qa = Ma Ca (Te – Ta) = + 1,94x 10³ kal.

Referensi

  1. Atkins, P. 1999. Kimia Fisik. Edisi Omega.
  2. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Ilmu Pengetahuan. Jilid 1. Bukit Mc Graw.
  3. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Kegunaan. 6.. Ed Prentice Hall.
  4. Hewitt, Paul. 2012. Ilmu Fisika Konseptual. 5. Ed.Pearson.
  5. Resnick, R. (1999). Fisik. Vol. 1. Edisi ke 3. Dalam bahasa Spanyol. Compañía Editorial Continental SA de CV
  6. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson.
  7. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Edisi Volume 1.
  8. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Jilid 1. 7. Ed.Cengage Belajar.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan